【Java面试】——Java 基础与并发编程

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

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：

1. 新对象优先分配到 Eden 区
2. Eden 区满时触发 Minor GC
3. 标记 Eden 区和当前 From Survivor 区的存活对象
4. 将存活对象复制到 To Survivor 区
5. 清空 Eden 区和 From Survivor 区
6. 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：

1. 正常晋升：年龄达到MaxTenuringThreshold（默认 15）
2. 动态年龄判定：Survivor 区中同龄对象总大小 > Survivor 一半时提前晋升
3. 大对象直接进入：超过PretenureSizeThreshold设置值
4. 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

1.1.5 Full GC 触发条件

1. 老年代空间不足
2. 元空间空间不足
3. 调用System.gc()（建议但非强制）
4. 晋升失败（Minor GC 后存活对象无法放入老年代）
5. 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

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：

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：

1. 可见性：写操作立即刷新到主内存，读操作从主内存读取
2. 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

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：

1. corePoolSize：核心线程数
2. maximumPoolSize：最大线程数
3. keepAliveTime：空闲线程存活时间
4. unit：时间单位
5. workQueue：任务队列（ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue）
6. threadFactory：线程工厂
7. 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

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

1.4 线上排查经验

1.4.1 CPU 100% 排查流程

1. top -H -p <pid>查看进程内各线程 CPU 占用
2. printf "%x\n" <tid>将线程 ID 转为十六进制
3. jstack <pid> | grep -A 20 <tid_hex>查看线程堆栈
4. 定位热点代码（死循环、频繁 GC、锁竞争、正则匹配）
5. Arthasthread命令一键分析 CPU 高的线程

1.4.2 Full GC 频繁排查

1. jstat -gcutil <pid> 1000查看 GC 频率
2. jmap -heap <pid>查看各代内存使用
3. jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof <pid>导出堆快照
4. MAT分析大对象、内存泄漏
5. 常见原因：内存泄漏、大对象频繁进入老年代、元空间膨胀

1.4.3 OOM 排查流程

1. 分析事故现场（CPU、内存、日志）
2. 通过top -p <pid>分析进程资源占用
3. 判断内存增长类型（爆炸性增长 vs 缓慢增长）
4. jmap -dump导出堆快照
5. MAT 分析：Leak Suspects报告、Dominator Tree、GC Roots路径

1.4.4 死锁排查

1. jstack <pid>自动检测死锁（会打印 “Found one Java-level deadlock”）
2. 查看线程状态（BLOCKED、WAITING）
3. 分析锁持有和等待关系

本篇内容覆盖了原大纲第一、二、三部分的 Java 基础、JVM 和 JUC 相关知识点。后续将继续补充 Spring 体系、数据库、Redis、MQ、微服务、分布式、高并发、架构能力、云原生、制造业、跨境电商、代码能力、线上排查等剩余部分。