最全的JAVA知識匯總（附講解和思維導圖）

jvm 一行代碼是怎么運行的

首先，java代碼會被編譯成字節(jié)碼，字節(jié)碼就是java虛擬機定義的一種編碼格式，需要java虛擬機才能夠解析，java虛擬機需要將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成機器碼才能在cpu上執(zhí)行。 我們可以用硬件實現(xiàn)虛擬機，這樣雖然可以提高效率但是就沒有了一次編譯到處運行的特性了，所以一般在各個平臺上用軟件來實現(xiàn)，目前的虛擬機還提供了一套運行環(huán)境來進行垃圾回收，數(shù)組越界檢查，權(quán)限校驗等。虛擬機一般將一行字節(jié)碼解釋成機器碼然后執(zhí)行，稱為解釋執(zhí)行，也可以將一個方法內(nèi)的所有字節(jié)碼解釋成機器碼之后在執(zhí)行，前者執(zhí)行效率低，后者會導致啟動時間慢，一般根據(jù)二八法則，將百分之20的熱點代碼進行即時編譯。JIT編譯的機器碼存放在一個叫codecache的地方，這塊內(nèi)存屬于堆外內(nèi)存，如果這塊內(nèi)存不夠了，那么JIT編譯器將不再進行即時編譯，可能導致程序運行變慢。

jvm如何加載一個類

第一步：加載，雙親委派：啟動類加載器（jre/lib），系統(tǒng)擴展類加載器(ext/lib)，應用類加載器(classpath)，前者為c++編寫，所以系統(tǒng)加載器的parent為空，后面兩個類加載器都是通過啟動類加載器加載完成后才能使用。加載的過程就是查找字節(jié)流，可以通過網(wǎng)絡(luò)，也可以自己在代碼生成，也可以來源一個jar包。另外，同一個類，被不同的類加載器加載，那么他們將不是同一個類，java中通過類加載器和類的名稱來界定唯一，所以我們可以在一個應用成存在多個同名的類的不同實現(xiàn)。

第二步：鏈接：（驗證，準備，解析） 驗證主要是校驗字節(jié)碼是否符合約束條件，一般在字節(jié)碼注入的時候關(guān)注的比較多。準備：給靜態(tài)字段分配內(nèi)存，但是不會初始化，解析主要是為了將符號引用轉(zhuǎn)換為實際引用，可能會觸發(fā)方法中引用的類的加載。

第三步：初始化，如果賦值的靜態(tài)變量是基礎(chǔ)類型或者字符串并且是final的話，該字段將被標記為常量池字段，另外靜態(tài)變量的賦值和靜態(tài)代碼塊，將被放在一個叫cinit的方法內(nèi)被執(zhí)行，為了保證cinit方法只會被執(zhí)行一次，這個方法會加鎖，我們一般實現(xiàn)單例模式的時候為保證線程安全，會利用類的初始化上的鎖。 初始化只有在特定條件下才會被觸發(fā)，例如new 一個對象，反射被調(diào)用，靜態(tài)方法被調(diào)用等。

java對象的內(nèi)存布局

java中每一個非基本類型的對象，都會有一個對象頭，對象頭中有64位作為標記字段，存儲對象的哈希碼，gc信息，鎖信息，另外64位存儲class對象的引用指針，如果開啟指針壓縮的話，該指針只需要占用32位字節(jié)。

Java對象中的字段，會進行重排序，主要為了保證內(nèi)存對齊，使其占用的空間正好是8的倍數(shù)，不足8的倍數(shù)會進行填充，所以想知道一個屬性相對對象其始地址的偏移量需要通過unsafe里的fieldOffset方法，內(nèi)存對齊也為了避免讓一個屬性存放在兩個緩存行中，disruptor中為了保證一個緩存行只能被一個屬性占用，也會用空對象進行填充，因為如果和其他對象公用一個緩存行，其他對象的失效會將整個緩存行失效，影響性能開銷，jdk8中引入了contended注解來讓一個屬性獨占一個緩存行，內(nèi)部也是進行填充，用空間換取時間，如何計算一個對象占用多少內(nèi)存，如果不精確的話就進行遍歷然后加上對象頭，這種情況沒辦法考慮重排序和填充，如果精確的話只能通過javaagent的instrument工具。

反射的原理

反射真的慢么？

首先class.forname和class.getmethod 第一個是一個native方法，第二個會遍歷自己和父類中的方法，并返回方法的一個拷貝，所以這兩個方法性能都不好，建議在應用層進行緩存。 而反射的具體調(diào)用有兩種方式，一種是調(diào)用本地native方法，一種是通過動態(tài)字節(jié)碼生成一個類來調(diào)用，默認采用第一種，當被調(diào)用15次之后，采用第二種動態(tài)字節(jié)碼方式，因為生成字節(jié)碼也耗時，如果只調(diào)用幾次沒必要，而第一種方式由于需要在java和c++之間切換，native 方法本身性能消耗嚴重，所以對于熱點代碼頻繁調(diào)用反射的話，性能并不會很差。

屬性的反射，采用unsafe類中setvalue來實現(xiàn)，需要傳入該屬性相對于對象其始地址的偏移量，也就是直接操作內(nèi)存。其實就是根據(jù)這個屬性在內(nèi)存中的起始地址和類型來讀取一個字段的值，在LockSupport類中，park和unpark方法，設(shè)置誰將線程掛起的時候也有用到這種方式。

動態(tài)代理

java本身的動態(tài)代理也是通過字節(jié)碼實現(xiàn)的

Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader,Class<?>[] interfaces,InvocationHandler h)

工具類中需要提供 類加載器，需要實現(xiàn)的接口，攔截器的實現(xiàn)，也就是需要在InvocationHandler中調(diào)用原方法并做增強處理。并且這個實現(xiàn)，一定會被放到新生成的動態(tài)代理類里。

生成動態(tài)代理類的步驟：先通過聲明的接口生成一個byte數(shù)組，這個數(shù)組就是字節(jié)流，通過傳入的類加載進行加載生成一個class對象，這個class 里面有個構(gòu)造方法接收一個參數(shù)，這個參數(shù)就是InvocationHandler，通過這個構(gòu)造方法的反射獲取一個實例類，在這個class里面，接口的實現(xiàn)中會調(diào)用InvocationHandler，而這個class對象為了防止生成太多又沒有被回收，所以是一個弱引用對象。

jvm的內(nèi)存模型

并發(fā)問題的根源：可見性，原子性，亂序執(zhí)行

java內(nèi)存模型定義了一些規(guī)則來禁止cpu緩存和編譯器優(yōu)化，happen-before用來描述兩個操作的內(nèi)存的可見性，有以下6條

• 1.程序的順序執(zhí)行，前一個語句對后一個語句可見 （當兩個語句沒有依賴的情況下還是可以亂序執(zhí)行）

• 2.volatile變量的寫對另一個線程的讀可見

• 3.happen-before 具有傳遞性

• 4.一個線程對鎖的釋放對另外一個線程的獲取鎖可見 （也就是一個線程在釋放鎖之前對共享變量的操作，另外一個線程獲取鎖后會看的到）

• 5.線程a調(diào)用了線程b的start()方法，那么線程a在調(diào)用start方法之前的操作，對線程b內(nèi)的run()方法可見

• 6.線程a調(diào)用了線程b的join方法，那么線程b里的所有操作，將對線程a調(diào)用join之后的操作可見。

jvm的垃圾回收

兩種實現(xiàn)：引用計數(shù)和可達性分析，引用計數(shù)會出現(xiàn)循環(huán)引用的問題，目前一般采用可達性分析。

為了保證程序運行線程和垃圾回收線程不會發(fā)生并發(fā)影響，jvm采用安全點機制來實現(xiàn)stop the world,也就是當垃圾收集線程發(fā)起stop the world請求后，工作線程開始進行安全點檢測，只有當所有線程都進入安全點之后，垃圾收集線程才開始工作，在垃圾收集線程工作過程中，工作線程每執(zhí)行一行代碼都會進行安全點檢測，如果這行代碼安全就繼續(xù)執(zhí)行，如果這行代碼不安全就將該線程掛起，這樣可以保證垃圾收集線程運行過程中，工作線程也可以繼續(xù)執(zhí)行。

安全點：例如阻塞線程肯定是安全點，運行的jni線程如果不訪問java對象也是安全的，如果線程正在編譯生成機器碼那他也是安全的，Java虛擬機在有垃圾回收線程執(zhí)行期間，每執(zhí)行一個字節(jié)碼都會進行安全檢測。

基礎(chǔ)垃圾收集算法：清除算法會造成垃圾碎片，清除后整理壓縮浪費cpu耗時，復制算法浪費內(nèi)存。

基礎(chǔ)假設(shè)：大部分的java對象只存活了一小段時間，只有少部分java對象存活很久。新建的對象放到新生代，當經(jīng)過多次垃圾回收還存在的，就把它移動到老年代。針對不同的區(qū)域采用不同的算法。因為新生代的對象存活周期很短，經(jīng)常需要垃圾回收，所以需要采用速度最快的算法，也就是復制，所以新生代會分成兩塊。一塊eden區(qū)，兩塊大小相同的survivor區(qū)。

新的對象默認在eden區(qū)進行分配，由于堆空間是共享的，所以分配內(nèi)存需要加鎖同步，不然會出現(xiàn)兩個對象指向同一塊內(nèi)存，為了避免頻繁的加鎖，一個線程可以申請一塊連續(xù)內(nèi)存，后續(xù)內(nèi)存的分配就在這里進行，這個方案稱為tlab。tlab里面維護兩個指針，一個是當前空余內(nèi)存起始位置，另外一個tail指向尾巴申請的內(nèi)存結(jié)束位置，分配內(nèi)存的時候只需要進行指針加法并判斷是否大于tail，如果超過則需要重新申請tlab。

如果eden區(qū)滿了則會進行一次minorGc ,將eden區(qū)的存活對象和from區(qū)的對象移動到to區(qū)，然后交換from和to的指針。

垃圾收集器的分類：針對的區(qū)域，老年代還是新生代，串行還是并行，采用的算法分類復制還是標記整理

g1 基于可控的停頓時間，增加吞吐量，取代cms g1將內(nèi)存分為多個塊，每個塊都可能是 eden survivor old 三種之一 首先清除全是垃圾的快 這樣可以快速釋放內(nèi)存。

如果發(fā)現(xiàn)JVM經(jīng)常進行full gc 怎么排查？

不停的進行full gc表示可能老年代對象占有大小超過閾值，并且經(jīng)過多次full gc還是沒有降到閾值以下，所以猜測可能老年代里有大量的數(shù)據(jù)存活了很久，可能是出現(xiàn)了內(nèi)存泄露，也可能是緩存了大量的數(shù)據(jù)一直沒有釋放，我們可以用jmap將gc日志dump下來，分析下哪些對象的實例個數(shù)很多，以及哪些對象占用空間最多，然后結(jié)合代碼進行分析。

并發(fā)和鎖

線程的狀態(tài)機

線程池參數(shù)：核心線程數(shù)，最大線程數(shù)，線程工廠，線程空閑時間，任務(wù)隊列，拒絕策略 先創(chuàng)建核心線程，之后放入任務(wù)隊列，任務(wù)隊列滿了創(chuàng)建線程直到最大線程數(shù)，在超過最大線程數(shù)就會拒絕，線程空閑后超過核心線程數(shù)的會釋放，核心線程也可以通過配置來釋放,針對那些一天只跑一個任務(wù)的情況。newCachedThreadPool線程池會導致創(chuàng)建大量的線程，因為用了同步隊列。

synchronized

同步塊會有一個monitorenter和多個monitorexist ，重量級鎖是通過linux內(nèi)核pthread里的互斥鎖實現(xiàn)的，包含一個waitset和一個阻塞隊列。 自旋鎖，會不停嘗試獲取鎖，他會導致其他阻塞的線程沒辦法獲取到鎖，所以他是不公平鎖，而輕量級鎖和偏向鎖，均是在當前對象的對象頭里做標記，用cas方法設(shè)置該標記，主要用于多線程在不同時間點獲取鎖，以及單線程獲取鎖的情況，從而避免重量級鎖的開銷，鎖的升級和降級也需要在安全點進行。

• reentrantlock相對synchronized的優(yōu)勢：可以控制公平還是非公平，帶超時，響應中斷。

• CyclicBarrier 多個線程相互等待，只有所有線程全部完成后才通知一起繼續(xù) （調(diào)用await 直到所有線程都調(diào)用await才一起恢復繼續(xù)執(zhí)行）

• countdownlatch 一個線程等待，其他線程執(zhí)行完后它才能繼續(xù)。（調(diào)用await后被阻塞，直到其他地方調(diào)用countdown()將state減到1 這個地方的其他可以是其他多個線程也可以其他單個任務(wù)）

• semaphore 同一個時刻只運行n個線程，限制同時工作的線程數(shù)目。

• 阻塞隊列一般用兩個鎖，以及對應的條件鎖來實現(xiàn)，默認為INTEGER.MAX為容量，而同步隊列沒有容量，優(yōu)先級隊列內(nèi)部用紅黑樹來實現(xiàn)。

如果要頻繁讀取和插入建議用concurrenthashmap 如果頻繁修改建議用 concurrentskiplistmap，copyonwrite適合讀多寫少，寫的時候進行拷貝，并加鎖。讀不加鎖，可能讀取到正在修改的舊值。concurrent系列實際上都是弱一致性，而其他的都是fail-fast，拋出ConcurrentModificationException，而弱一致性允許修改的時候還可以遍歷。例如concurrent類的size方法可能不是百分百準確。

AQS 的設(shè)計，用一個state來表示狀態(tài)，一個先進先出的隊列，來維護正在等待的線程，提供了acquire和release來獲取和釋放鎖,鎖，條件，信號量，其他并發(fā)工具都是基于aqs實現(xiàn)。

字符串

字符串可以通過intern()方法緩存起來，放到永久代，一般一個字符串申明的時候會檢查常量區(qū)是否存在，如果存在直接返回其地址，字符串是final的，他的hashcode算法采用31進制相加，字符串的拼接需要創(chuàng)建一個新的字符串，一般使用stringbuilder。String s1 = "abc"; String s2 = "abc"; String s1 = new String("abc"); s1和s2可能是相等的，因為都指向常量池。

集合

• vector 線程安全，arraylist 實現(xiàn) randomaccess 通過數(shù)組實現(xiàn)支持隨機訪問，linkedlist 雙向鏈表可以支持快速的插入和刪除。

• treeset 依賴于 treemap 采用紅黑樹實現(xiàn)，可以支持順序訪問，但是插入和刪除復雜度為 log(n)

• hashset 依賴于 hashmap 采用哈希算法實現(xiàn)，可以支持常數(shù)級別的訪問，但是不能保證有序

• linkedhashset 在hashset的節(jié)點上加了一個雙向鏈表，支持按照訪問和插入順序進行訪問

• hashtable早版本實現(xiàn)，線程安全 不支持空鍵。

• hashmap：根據(jù)key的hashcode的低位進行位運算，因為高位沖突概率較高，根據(jù)數(shù)組長度計算某個key對應數(shù)組位置，類似求余算法，在put的時候會進行初始化或者擴容，當元素個數(shù)超過 數(shù)組的長度乘以負載因子的時候進行擴容，當鏈表長度超過8會進行樹化，數(shù)組的長度是2的多少次方，主要方便位運算，另一個好處是擴容的時候遷移數(shù)據(jù)只需要遷移一半。當要放 15個元素的時候，一般數(shù)組初始化的長度為 15/0.75= 20 然后對應的2的多少次方，那么數(shù)組初始化長度為 32.

• ConcurrentHashMap 內(nèi)部維護了一個segment數(shù)組，這個segment繼承自reentrantlock,他本身是一個hashmap,segment數(shù)組的長度也就是并發(fā)度，一般為16. hashentry內(nèi)部的value字段為volatile來保證可見性.size()方法需要獲取所有的segment的鎖，而jdk8的size()方法用一個數(shù)組存儲每個segment對應的長度。

io

輸入輸出流的數(shù)據(jù)源有 文件流，字節(jié)數(shù)組流，對象流 ，管道。帶緩存的輸入流，需要執(zhí)行flush，reader和writer是字符流，需要根據(jù)字節(jié)流封裝。

bytebuffer里面有position,capcity,limit 可以通過flip重置換，一般先寫入之后flip后在從頭開始讀。

文件拷貝 如果用一個輸入流和一個輸出流效率太低，可以用transfer方法，這種模式不用到用戶空間，直接在內(nèi)核進行拷貝。

一個線程一個連接針對阻塞模式來說效率很高，但是吞吐量起不來，因為沒辦法開那么多線程，而且線程切換也有開銷，一般用多路復用，基于事件驅(qū)動，一個線程去掃描監(jiān)聽的連接中是否有就緒的事件，有的話交給工作線程進行讀寫。一般用這種方式實現(xiàn)C10K問題。

堆外內(nèi)存(direct) 一般適合io頻繁并且長期占用的內(nèi)存，一般建議重復使用，只能通過Native Memory Tracking（NMT）來診斷，MappedByteBuffer可以通過FileChannel.map來創(chuàng)建，可以在讀文件的時候少一次內(nèi)核的拷貝，直接將磁盤的地址映射到用戶空間，使用戶感覺像操作本地內(nèi)存一樣，只有當發(fā)生缺頁異常的時候才會觸發(fā)去磁盤加載，一次只會加載要讀取的數(shù)據(jù)頁，例如rocketmq里一次映射1g的文件，并通過在每個數(shù)據(jù)頁寫1b的數(shù)據(jù)進行預熱，將整個1G的文件都加載到內(nèi)存。

設(shè)計模式

• 創(chuàng)建對象：工廠 構(gòu)建 單例

• 結(jié)構(gòu)型： 門面 裝飾 適配器 代理

• 行為型：責任鏈 觀察者 模版

• 封裝（隱藏內(nèi)部實現(xiàn)） 繼承（代碼復用） 多態(tài)（方法的重寫和重載）

• 設(shè)計原則：單一指責，開關(guān)原則，里氏替換，接口分離，依賴反轉(zhuǎn)