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碼，字節碼就是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虛擬機需要將字節碼轉換成機器碼才能在cpu上執行。 我們可以用硬件實現虛擬機，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，目前的虛擬機還提供了一套運行環境來進行垃圾回收，數組越界檢查，權限校驗等。虛擬機一般將一行字節碼解釋成機器碼然后執行，稱為解釋執行，也可以將一個方法內的所有字節碼解釋成機器碼之后在執行，前者執行效率低，后者會導致啟動時間慢，一般根據二八法則，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，這塊內存屬于堆外內存，如果這塊內存不夠了，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流，可以通過網絡，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。

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

第三步：初始化，如果賦值的靜態變量是基礎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，另外靜態變量的賦值和靜態代碼塊，將被放在一個叫cinit的方法內被執行，為了保證cinit方法只會被執行一次，這個方法會加鎖，我們一般實現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，例如new 一個對象，反射被調用，靜態方法被調用等。

java對象的內存布局

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。

Java對象中的字段，會進行重排序，主要為了保證內存對齊，使其占用的空間正好是8的倍數，不足8的倍數會進行填充，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。 而反射的具體調用有兩種方式，一種是調用本地native方法，一種是通過動態字節碼生成一個類來調用，默認采用第一種，當被調用15次之后，采用第二種動態字節碼方式，因為生成字節碼也耗時，如果只調用幾次沒必要，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，需要傳入該屬性相對于對象其始地址的偏移量，也就是直接操作內存。其實就是根據這個屬性在內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，設置誰將線程掛起的時候也有用到這種方式。

動態代理

java本身的動態代理也是通過字節碼實現的

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

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

生成動態代理類的步驟：先通過聲明的接口生成一個byte數組，這個數組就是字節流，通過傳入的類加載進行加載生成一個class對象，這個class 里面有個構造方法接收一個參數，這個參數就是InvocationHandler，通過這個構造方法的反射獲取一個實例類，在這個class里面，接口的實現中會調用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的內存模型

并發問題的根源：可見性，原子性，亂序執行

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

• 1.程序的順序執行，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調用了線程b的start()方法，那么線程a在調用start方法之前的操作，對線程b內的run()方法可見

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

jvm的垃圾回收

兩種實現：引用計數和可達性分析，引用計數會出現循環引用的問題，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生并發影響，jvm采用安全點機制來實現stop the world,也就是當垃圾收集線程發起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執行，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執行。

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行期間，每執行一個字節碼都會進行安全檢測。

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

基礎假設：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。針對不同的區域采用不同的算法。因為新生代的對象存活周期很短，經常需要垃圾回收，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，兩塊大小相同的survivor區。

新的對象默認在eden區進行分配，由于堆空間是共享的，所以分配內存需要加鎖同步，不然會出現兩個對象指向同一塊內存，為了避免頻繁的加鎖，一個線程可以申請一塊連續內存，后續內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，一個是當前空余內存起始位置，另外一個tail指向尾巴申請的內存結束位置，分配內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區滿了則會進行一次minorGc ,將eden區的存活對象和from區的對象移動到to區，然后交換from和to的指針。

垃圾收集器的分類：針對的區域，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存。

如果發現JVM經常進行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據存活了很久，可能是出現了內存泄露，也可能是緩存了大量的數據一直沒有釋放，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很多，以及哪些對象占用空間最多，然后結合代碼進行分析。

并發和鎖

線程的狀態機

線程池參數：核心線程數，最大線程數，線程工廠，線程空閑時間，任務隊列，拒絕策略 先創建核心線程，之后放入任務隊列，任務隊列滿了創建線程直到最大線程數，在超過最大線程數就會拒絕，線程空閑后超過核心線程數的會釋放，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的情況。newCachedThreadPool線程池會導致創建大量的線程，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內核pthread里的互斥鎖實現的，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 （調用await 直到所有線程都調用await才一起恢復繼續執行）

• countdownlatch 一個線程等待，其他線程執行完后它才能繼續。（調用await后被阻塞，直到其他地方調用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）

• semaphore 同一個時刻只運行n個線程，限制同時工作的線程數目。

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

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 的設計，用一個state來表示狀態，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，其他并發工具都是基于aqs實現。

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 randomaccess 通過數組實現支持隨機訪問，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，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，可以支持常數級別的訪問，但是不能保證有序

• linkedhashset 在hashset的節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，線程安全 不支持空鍵。

• hashmap：根據key的hashcode的低位進行位運算，因為高位沖突概率較高，根據數組長度計算某個key對應數組位置，類似求余算法，在put的時候會進行初始化或者擴容，當元素個數超過 數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據只需要遷移一半。當要放 15個元素的時候，一般數組初始化的長度為 15/0.75= 20 然后對應的2的多少次方，那么數組初始化長度為 32.

• ConcurrentHashMap 內部維護了一個segment數組，這個segment繼承自reentrantlock,他本身是一個hashmap,segment數組的長度也就是并發度，一般為16. hashentry內部的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()方法用一個數組存儲每個segment對應的長度。

io

輸入輸出流的數據源有 文件流，字節數組流，對象流 ，管道。帶緩存的輸入流，需要執行flush，reader和writer是字符流，需要根據字節流封裝。

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，基于事件驅動，一個線程去掃描監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C10K問題。

堆外內存(direct) 一般適合io頻繁并且長期占用的內存，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來創建，可以在讀文件的時候少一次內核的拷貝，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存一樣，只有當發生缺頁異常的時候才會觸發去磁盤加載，一次只會加載要讀取的數據頁，例如rocketmq里一次映射1g的文件，并通過在每個數據頁寫1b的數據進行預熱，將整個1G的文件都加載到內存。

設計模式

• 創建對象：工廠 構建 單例

• 結構型： 門面 裝飾 適配器 代理

• 行為型：責任鏈 觀察者 模版

• 封裝（隱藏內部實現） 繼承（代碼復用） 多態（方法的重寫和重載）

• 設計原則：單一指責，開關原則，里氏替換，接口分離，依賴反轉