医健数联 Java开发 一面 面经

1. HashMap的底层实现原理，扩容机制是怎样的？

底层结构：

HashMap在JDK 1.8中采用数组+链表+红黑树的结构。初始容量是16，负载因子默认0.75。当链表长度超过8且数组长度大于等于64时，链表会转换为红黑树；当红黑树节点少于6个时会退化回链表。

put操作流程：

首先对key进行hash运算，通过hash值和数组长度减1做与运算定位到数组下标。如果该位置为空就直接插入；如果不为空，先判断key是否相同，相同就覆盖value；如果是树节点就按红黑树方式插入；如果是链表就遍历链表，找到相同key就覆盖，没找到就插入到链表尾部。插入后判断链表长度是否需要树化，最后判断是否需要扩容。

扩容机制：

当元素个数超过阈值（容量×负载因子）时触发扩容。扩容时创建一个容量翻倍的新数组，然后遍历旧数组的每个位置。如果只有一个节点就重新计算位置放入新数组；如果是链表，会拆分成两条链表，一条保持原位置，另一条移到原位置加旧容量的位置；如果是红黑树也会拆分，必要时退化为链表。

为什么容量是2的幂次：

这样做有两个好处。一是计算数组下标时可以用位运算代替取模运算，性能更高。二是扩容时判断元素新位置很简单，只需要看hash值的某一位是0还是1，是0就留在原位置，是1就移到原位置加旧容量的位置。

线程安全问题：

HashMap不是线程安全的。并发put可能导致数据丢失，JDK 1.7扩容时多线程操作可能形成环形链表导致死循环。JDK 1.8虽然改为尾插法避免了环形链表，但仍然不安全。需要线程安全可以用ConcurrentHashMap。

2. synchronized锁升级过程，能否降级？

锁的四种状态：

synchronized有四种锁状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。这四种状态会随着竞争情况逐渐升级，但一般不会降级。

偏向锁：

偏向锁是为了优化只有一个线程访问同步块的场景。第一次获取锁时，会用CAS操作将线程ID写入对象头。后续该线程再进入时只需要检查对象头的线程ID是否是自己，是的话就直接进入，不需要任何CAS操作，性能最好。如果有其他线程尝试获取锁，偏向锁会被撤销，升级为轻量级锁。

轻量级锁：

轻量级锁适用于多个线程交替访问、没有实际竞争的场景。线程在栈帧中创建锁记录，用CAS将对象头的Mark Word复制到锁记录，然后CAS将对象头指向锁记录。如果成功就获得轻量级锁，如果失败就自旋尝试获取。自旋一定次数后还没获取到，就升级为重量级锁。

重量级锁：

重量级锁使用操作系统的互斥量实现。未获得锁的线程会被阻塞，从用户态切换到内核态。持有锁的线程释放后会唤醒等待的线程。这种方式性能开销大，但避免了CPU空转。

能否降级：

在JDK 15之前，正常情况下锁不会降级，只在垃圾回收的安全点才可能降级。偏向锁可以被撤销回到无锁状态。JDK 15之后默认禁用了偏向锁，因为在高并发场景下偏向锁的撤销成本反而会降低性能。

锁优化：

JVM还会做锁粗化和锁消除优化。锁粗化是把多个连续的加锁解锁操作合并为一次。锁消除是通过逃逸分析发现对象不会被其他线程访问时，直接消除锁操作。

3. CAS的原理、优缺点及ABA问题

CAS原理：

CAS是Compare And Swap的缩写，意思是比较并交换。它包含三个操作数：内存位置、期望值和新值。操作时先比较内存位置的值是否等于期望值，如果相等就更新为新值，不相等就不更新。整个过程是原子操作，由CPU指令保证。

Java中通过Unsafe类调用底层的CAS指令。比如AtomicInteger的自增操作，会在一个循环里不断尝试CAS，读取当前值，计算新值，然后CAS更新。如果CAS失败说明有其他线程修改了值，就继续循环重试，直到成功为止。

CAS优点：

第一是无锁化，性能高。不需要线程阻塞和唤醒，避免了上下文切换的开销。第二是不会死锁，因为没有锁的持有和等待。第三是减少了用户态和内核态的切换。

CAS缺点：

第一个问题是ABA问题。假设线程1读取值A准备改为B，这时线程2把A改成B又改回A，线程1的CAS会成功，但实际上中间状态已经变化了。解决办法是使用版本号，比如AtomicStampedReference，每次更新都会增加版本号，这样即使值相同但版本号不同也会CAS失败。

第二个问题是自旋开销。如果竞争激烈，线程会一直循环重试，浪费CPU资源。

第三个问题是只能保证单个变量的原子性。如果要同时更新多个变量，可以把它们封装成一个对象，用AtomicReference来操作。

适用场景：

CAS适合竞争不激烈、读多写少、简单原子操作的场景，比如计数器、标志位等。

4. ArrayList和LinkedList的区别，使用场景

底层结构：

ArrayList底层是动态数组，默认初始容量10。LinkedList底层是双向链表，每个节点包含数据、前驱指针和后继指针。

性能差异：

随机访问方面，ArrayList通过数组下标直接访问，时间复杂度O(1)。LinkedList需要从头或尾遍历到指定位置，时间复杂度O(n)。

插入删除方面，ArrayList在尾部插入是O(1)，但在中间插入需要移动后面的元素，时间复杂度O(n)。LinkedList插入删除只需要修改指针，但定位到指定位置需要O(n)，所以总体也是O(n)。

内存占用方面，ArrayList是连续内存空间，缓存友好。LinkedList每个节点都有额外的指针开销，而且内存不连续。

扩容机制：

ArrayList容量不够时会扩容，新容量是旧容量的1.5倍，然后把旧数组的元素复制到新数组。LinkedList不需要扩容，每次添加元素都是创建新节点。

使用场景：

ArrayList适合频繁随机访问、遍历操作多、尾部插入删除、数据量可预估的场景。比如数据展示列表，可以预先分配容量避免扩容。

LinkedList适合频繁在头部或中间插入删除、实现队列或双端队列、不需要随机访问的场景。比如实现任务队列，可以在头部和尾部高效地添加删除元素。

实际开发中，90%的场景用ArrayList就够了，因为它内存连续，缓存友好，性能更好。只有确实需要频繁头部操作时才考虑LinkedList。

5. JVM类加载过程，双亲委派机制

类加载过程：

类加载分为七个阶段：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中验证、准备、解析统称为连接。

加载阶段通过类的全限定名获取二进制字节流，将字节流转化为方法区的数据结构，在堆中生成Class对象。

验证阶段确保字节码的安全性，包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备阶段为类变量分配内存并设置初始值。注意这里是初始值不是代码中赋的值，比如int类型是0，引用类型是null。但如果是final常量，准备阶段就会赋值为代码中的值。

解析阶段将符号引用替换为直接引用，也就是把类名、方法名这些符号转换为实际的内存地址。

初始化阶段执行类构造器方法，这时才会执行静态变量赋值和静态代码块。触发初始化的时机包括new对象、访问静态变量或方法、反射调用、初始化子类时先初始化父类、main方法所在类等。

双亲委派机制：

Java有四层类加载器：启动类加载器、扩展类加载器、应用类加载器、自定义类加载器。它们之间是父子关系，不是继承关系。

双亲委派的工作流程是：收到类加载请求时，先检查类是否已加载。如果没加载，不会自己加载，而是委派给父加载器。父加载器也会继续向上委派，直到启动类加载器。如果父加载器无法加载，才由子加载器自己加载。

比如加载String类，会一直委派到启动类加载器，由它加载rt.jar中的String。

双亲委派的好处：

一是避免类重复加载，同一个类只会被加载一次。二是保护核心类库，即使自己写一个java.lang.String也无法替换系统的String，因为启动类加载器已经加载了官方的Stri