Java 基础面试三

泛型

什么是泛型？有什么作用？

Java 泛型（Generics） 是 JDK 5 中引入的一个新特性。使用泛型参数，可以增强代码的可读性以及稳定性。

编译器可以对泛型参数进行检测，并且通过泛型参数可以指定传入的对象类型。比如 ArrayList<Person> persons = new ArrayList<Person>() 这行代码就指明了该 ArrayList 对象只能传入 Person 对象，如果传入其他类型的对象就会报错。

ArrayList<E> extends AbstractList<E>

并且，原生 List 返回类型是 Object ，需要手动转换类型才能使用，使用泛型后编译器自动转换。

泛型的使用方式有哪几种？

泛型一般有三种使用方式：泛型类、泛型接口、泛型方法。

1. 泛型类：

//此处 T 可以随便写为任意标识，常见的如 T、E、K、V 等形式的参数常用于表示泛型
//在实例化泛型类时，必须指定 T 的具体类型
public class Generic<T>{

    private T key;

    public Generic(T key) {
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){
        return key;
    }
}

如何实例化泛型类：

Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(123456);

2. 泛型接口：

public interface Generator<T> {
    public T method();
}

实现泛型接口，不指定类型：

class GeneratorImpl<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T method() {
        return null;
    }
}

实现泛型接口，指定类型：

class GeneratorImpl<T> implements Generator<String>{
    @Override
    public String method() {
        return "hello";
    }
}

3. 泛型方法：

   public static < E > void printArray( E[] inputArray )
   {
         for ( E element : inputArray ){
            System.out.printf( "%s ", element );
         }
         System.out.println();
    }

使用：

// 创建不同类型数组：Integer, Double 和 Character
Integer[] intArray = { 1, 2, 3 };
String[] stringArray = { "Hello", "World" };
printArray( intArray  );
printArray( stringArray  );

注意：public static < E > void printArray( E[] inputArray ) 一般被称为静态泛型方法；在 java 中泛型只是一个占位符，必须在传递类型后才能使用。类在实例化时才能真正的传递类型参数，由于静态方法的加载先于类的实例化，也就是说类中的泛型还没有传递真正的类型参数，静态的方法的加载就已经完成了，所以静态泛型方法是没有办法使用类上声明的泛型的。只能使用自己声明的 <E>

反射

何谓反射？

如果说大家研究过框架的底层原理或者咱们自己写过框架的话，一定对反射这个概念不陌生。反射之所以被称为框架的灵魂，主要是因为它赋予了我们在运行时分析类以及执行类中方法的能力。通过反射你可以获取任意一个类的所有属性和方法，你还可以调用这些方法和属性。

反射 (Reflection) 是 Java 程序开发语言的特征之一，它允许运行中的 Java 程序获取自身的信息，并且可以操作类或对象的内部属性。

通过反射机制，可以在运行时访问 Java 对象的属性，方法，构造方法等。

反射的应用场景？

反射的主要应用场景有：

• 开发通用框架 - 反射最重要的用途就是开发各种通用框架。很多框架（比如 Spring）都是配置化的（比如通过 XML 文件配置 JavaBean、Filter 等），为了保证框架的通用性，它们可能需要根据配置文件加载不同的对象或类，调用不同的方法，这个时候就必须用到反射——运行时动态加载需要加载的对象。
• 动态代理 - 在切面编程（AOP）中，需要拦截特定的方法，通常，会选择动态代理方式。这时，就需要反射技术来实现了。
• 注解 - 注解本身仅仅是起到标记作用，它需要利用反射机制，根据注解标记去调用注解解释器，执行行为。如果没有反射机制，注解并不比注释更有用。
• 可扩展性功能 - 应用程序可以通过使用完全限定名称创建可扩展性对象实例来使用外部的用户定义类。

像咱们平时大部分时候都是在写业务代码，很少会接触到直接使用反射机制的场景。但是！这并不代表反射没有用。相反，正是因为反射，你才能这么轻松地使用各种框架。像 Spring/Spring Boot、MyBatis 等等框架中都大量使用了反射机制。

这些框架中也大量使用了动态代理，而动态代理的实现也依赖反射。

比如下面是通过 JDK 实现动态代理的示例代码，其中就使用了反射类 Method 来调用指定的方法。

public class DebugInvocationHandler implements InvocationHandler {
    /**
     * 代理类中的真实对象
     */
    private final Object target;

    public DebugInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }

    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        System.out.println("before method " + method.getName());
        Object result = method.invoke(target, args);
        System.out.println("after method " + method.getName());
        return result;
    }
}

另外，像 Java 中的一大利器 注解 的实现也用到了反射。

为什么你使用 Spring 的时候 ，一个@Component注解就声明了一个类为 Spring Bean 呢？为什么你通过一个 @Value注解就读取到配置文件中的值呢？究竟是怎么起作用的呢？

这些都是因为你可以基于反射分析类，然后获取到类/属性/方法/方法的参数上的注解。你获取到注解之后，就可以做进一步的处理。

反射的优缺点？

反射可以让我们的代码更加灵活、为各种框架提供开箱即用的功能提供了便利。

不过，反射让我们在运行时有了分析操作类的能力的同时，也产生了一些问题：

• 性能开销 - 由于反射涉及动态解析的类型，因此无法执行某些 Java 虚拟机优化。因此，反射操作的性能要比非反射操作的性能要差，应该在性能敏感的应用程序中频繁调用的代码段中避免。
• 破坏封装性 - 反射调用方法时可以忽略权限检查，因此可能会破坏封装性而导致安全问题。
• 内部曝光 - 由于反射允许代码执行在非反射代码中非法的操作，例如访问私有字段和方法，所以反射的使用可能会导致意想不到的副作用，这可能会导致代码功能失常并可能破坏可移植性。反射代码打破了抽象，因此可能会随着平台的升级而改变行为。

相关阅读：Java Reflection: Why is it so slow? 。

⭐ 创建实例

反射创建实例有几种方式？

通过反射来创建实例对象主要有两种方式：

• 用 Class 对象的 newInstance 方法。
• 用 Constructor 对象的 newInstance 方法。

⭐ 加载实例

加载实例有几种方式？

Class.forName("className") 和 ClassLoader.laodClass("className") 有什么区别？

• Class.forName("className") 加载的是已经初始化到 JVM 中的类。
• ClassLoader.loadClass("className") 装载的是还没有初始化到 JVM 中的类。

⭐⭐ 动态代理

什么是动态代理？动态代理有几种实现方式？有什么特点？

JDK 动态代理和 CGLIB 动态代理有什么区别？

（1）什么是动态代理？

动态代理是一种方便运行时动态构建代理、动态处理代理方法调用的机制，很多场景都是利用类似机制做到的，比如用来包装 RPC 调用、面向切面的编程（AOP）。

（2）为什么需要动态代理？

有动态就会有静态，静态代理其实就是指设计模式中的代理模式。代理模式为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

静态代理模式在访问无法访问的资源时，虽然可以增强现有的接口功能，但是大量使用这种静态代理，会使我们系统内的类的规模增大，并且不易维护；此外，由于 Proxy 和 RealSubject 的功能本质上是相同的，Proxy 只是起到了中介的作用，这种代理在系统中的存在，导致系统结构比较臃肿和松散。

（3）实现动态代理的方式

实现动态代理的方式很多，比如 JDK 自身提供的动态代理，就是主要利用了上面提到的反射机制。还有其他的实现方式，比如利用传说中更高性能的字节码操作机制，类似 ASM、cglib（基于 ASM）、Javassist 等。

（1）JDK 方式

代理类与委托类实现同一接口，主要是通过代理类实现 InvocationHandler 并重写 invoke 方法来进行动态代理的，在 invoke 方法中将对方法进行处理。

JDK 动态代理特点：

• 优点：相对于静态代理模式，不需要硬编码接口，代码复用率高。
• 缺点：强制要求代理类实现 InvocationHandler 接口。

（2）CGLIB

CGLIB 底层，其实是借助了 ASM 这个强大的 Java 字节码框架去进行字节码增强操作。

CGLIB 动态代理特点：

优点：使用字节码增强，比 JDK 动态代理方式性能高。可以在运行时对类或者是接口进行增强操作，且委托类无需实现接口。

缺点：不能对 final 类以及 final 方法进行代理。

注解

何谓注解？

Annotation （注解） 是 Java5 开始引入的新特性，可以看作是一种特殊的注释，主要用于修饰类、方法或者变量，提供某些信息供程序在编译或者运行时使用。

注解本质是一个继承了Annotation 的特殊接口：

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
public @interface Override {

}

public interface Override extends Annotation{

}

JDK 提供了很多内置的注解（比如 @Override、@Deprecated），同时，我们还可以自定义注解。

注解的解析方法有哪几种？

注解只有被解析之后才会生效，常见的解析方法有两种：

• 编译期直接扫描：编译器在编译 Java 代码的时候扫描对应的注解并处理，比如某个方法使用@Override 注解，编译器在编译的时候就会检测当前的方法是否重写了父类对应的方法。
• 运行期通过反射处理：像框架中自带的注解（比如 Spring 框架的 @Value、@Component) 都是通过反射来进行处理的。

SPI

何谓 SPI?

SPI 即 Service Provider Interface ，字面意思就是：“服务提供者的接口”，我的理解是：专门提供给服务提供者或者扩展框架功能的开发者去使用的一个接口。

SPI 将服务接口和具体的服务实现分离开来，将服务调用方和服务实现者解耦，能够提升程序的扩展性、可维护性。修改或者替换服务实现并不需要修改调用方。

很多框架都使用了 Java 的 SPI 机制，比如：Spring 框架、数据库加载驱动、日志接口、以及 Dubbo 的扩展实现等等。

SPI 和 API 有什么区别？

SPI 主要关注于组件之间的松耦合和可插拔性，通过接口的定义和实现分离，提供了一种机制来实现动态加载和替换；API 则关注于软件组件之间的交互和集成，提供了一种标准化的方式来使用和操作其他软件组件的功能。

序列化

什么是序列化？什么是反序列化？

如果我们需要持久化 Java 对象比如将 Java 对象保存在文件中，或者在网络传输 Java 对象，这些场景都需要用到序列化。

简单来说：

• 序列化：将数据结构或对象转换成二进制字节流的过程
• 反序列化：将在序列化过程中所生成的二进制字节流转换成数据结构或者对象的过程

对于 Java 这种面向对象编程语言来说，我们序列化的都是对象（Object）也就是实例化后的类 (Class)，但是在 C++这种半面向对象的语言中，struct（结构体）定义的是数据结构类型，而 class 对应的是对象类型。

下面是序列化和反序列化常见应用场景：

• 对象在进行网络传输（比如远程方法调用 RPC 的时候）之前需要先被序列化，接收到序列化的对象之后需要再进行反序列化；
• 将对象存储到文件之前需要进行序列化，将对象从文件中读取出来需要进行反序列化；
• 将对象存储到数据库（如 Redis）之前需要用到序列化，将对象从缓存数据库中读取出来需要反序列化；
• 将对象存储到内存之前需要进行序列化，从内存中读取出来之后需要进行反序列化。

维基百科是如是介绍序列化的：

序列化（serialization）在计算机科学的数据处理中，是指将数据结构或对象状态转换成可取用格式（例如存成文件，存于缓冲，或经由网络中发送），以留待后续在相同或另一台计算机环境中，能恢复原先状态的过程。依照序列化格式重新获取字节的结果时，可以利用它来产生与原始对象相同语义的副本。对于许多对象，像是使用大量引用的复杂对象，这种序列化重建的过程并不容易。面向对象中的对象序列化，并不概括之前原始对象所关系的函数。这种过程也称为对象编组（marshalling）。从一系列字节提取数据结构的反向操作，是反序列化（也称为解编组、deserialization、unmarshalling）。

综上：序列化的主要目的是通过网络传输对象或者说是将对象存储到文件系统、数据库、内存中。

如果有些字段不想进行序列化怎么办？

对于不想进行序列化的变量，使用 transient 关键字修饰。

transient 关键字的作用是：阻止实例中那些用此关键字修饰的的变量序列化；当对象被反序列化时，被 transient 修饰的变量值不会被持久化和恢复。

关于 transient 还有几点注意：

• transient 只能修饰变量，不能修饰类和方法。
• transient 修饰的变量，在反序列化后变量值将会被置成类型的默认值。例如，如果是修饰 int 类型，那么反序列后结果就是 0。
• static 变量因为不属于任何对象 (Object)，所以无论有没有 transient 关键字修饰，均不会被序列化。

常见序列化协议有哪些？

JDK 自带的序列化方式一般不会用 ，因为序列化效率低并且存在安全问题。比较常用的序列化协议有 Hessian、Kryo、Protobuf、ProtoStuff，这些都是基于二进制的序列化协议。

像 JSON 和 XML 这种属于文本类序列化方式。虽然可读性比较好，但是性能较差，一般不会选择。

为什么不推荐使用 JDK 自带的序列化？

我们很少或者说几乎不会直接使用 JDK 自带的序列化方式，主要原因有下面这些原因：

• 不支持跨语言调用 : 如果调用的是其他语言开发的服务的时候就不支持了。
• 性能差：相比于其他序列化框架性能更低，主要原因是序列化之后的字节数组体积较大，导致传输成本加大。
• 存在安全问题：序列化和反序列化本身并不存在问题。但当输入的反序列化的数据可被用户控制，那么攻击者即可通过构造恶意输入，让反序列化产生非预期的对象，在此过程中执行构造的任意代码。相关阅读：应用安全：JAVA 反序列化漏洞之殇 。

语法糖

什么是语法糖？

语法糖（Syntactic sugar） 代指的是编程语言为了方便程序员开发程序而设计的一种特殊语法，这种语法对编程语言的功能并没有影响。实现相同的功能，基于语法糖写出来的代码往往更简单简洁且更易阅读。

举个例子，Java 中的 for-each 就是一个常用的语法糖，其原理其实就是基于普通的 for 循环和迭代器。

String[] strs = {"JavaGuide", "公众号：JavaGuide", "博客：https://javaguide.cn/"};
for (String s : strs) {
    System.out.println(s);
}

不过，JVM 其实并不能识别语法糖，Java 语法糖要想被正确执行，需要先通过编译器进行解糖，也就是在程序编译阶段将其转换成 JVM 认识的基本语法。这也侧面说明，Java 中真正支持语法糖的是 Java 编译器而不是 JVM。如果你去看com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler的源码，你会发现在compile()中有一个步骤就是调用desugar()，这个方法就是负责解语法糖的实现的。

Java 中有哪些常见的语法糖？

Java 中最常用的语法糖主要有泛型、自动拆装箱、变长参数、枚举、内部类、增强 for 循环、try-with-resources 语法、lambda 表达式等。

IO

Java 提供了哪些 IO 方式？

• BIO - 优点是代码比较简单、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。
  • 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，如：字节流（InputStream/OutputStream）、字符流（Reader/Writer）、File、RandomAccessFile 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。
  • 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。
  • BufferedOutputStream 等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高 IO 处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了 flush。
  • 很多 IO 工具类都实现了 Closeable 接口，因为需要进行资源的释放。需要利用 try-with-resources、 try-finally 等机制保证资源被明确关闭，否则将导致资源无法被释放。
• NIO - 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。
  • Buffer，高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的 Buffer 实现。
  • Channel，类似在 Linux 之类操作系统上看到的文件描述符，是 NIO 中被用来支持批量式 IO 操作的一种抽象。
    • File 或者 Socket，通常被认为是比较高层次的抽象，而 Channel 则是更加底层的一种抽象，这也使得 NIO 得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，我们可以通过 Socket 获取 Channel，反之亦然。
  • Selector，是 NIO 实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在 Selector 上的多个 Channel 中，是否有 Channel 处于就绪状态，进而实现了单线程对多 Channel 的高效管理。Selector 同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别。Linux 上依赖于 epoll，Windows 上 NIO2（AIO）模式则是依赖于 iocp。
• AIO - 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。

NIO 如何实现多路复用？

    public class NIOServer extends Thread {
        public void run() {
            try (Selector selector = Selector.open();
                 ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建 Selector 和 Channel
                serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
                serverSocket.configureBlocking(false);
                // 注册到 Selector，并说明关注点
                serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                while (true) {
                    selector.select();// 阻塞等待就绪的 Channel，这是关键点之一
                    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                       // 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
                        sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                        iter.remove();
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
            try (SocketChannel client = server.accept();) {          client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
            }
        }
       // 省略了与前面类似的 main
    }

这个非常精简的样例掀开了 NIO 多路复用的流程

• 首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色。
• 然后，创建一个 ServerSocketChannel，并且向 Selector 注册，通过指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求。
  • 注意，为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出 IllegalBlockingModeException 异常。
• Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒。
• 在 sayHelloWorld 方法中，通过 SocketChannel 和 Buffer 进行数据操作，在本例中是发送了一段字符串。