图灵300题-01~20-笔记001

图灵300题

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本文是学习笔记，如果需要面试没有时间阅读原博文，可以快速浏览笔记。
推荐深度阅读对应书籍或者知识点原文，避免碎片化学习。

1. 面向对象概念与Java示例

在面向对象编程中，有几个关键概念，如封装、继承和多态。

封装

封装是指将对象的内部细节对外部调用透明化，外部调用者无需修改或关心对象的内部实现。封装主要通过将类的属性设置为私有（private），并提供公共的访问方法（getter 和 setter）来实现，以保证数据的安全性和一致性。以下是具体示例：

• JavaBean 示例：
  在 JavaBean 中，属性通常是私有的，通过 getter 和 setter 方法对外提供访问。例如：

private String name;
public void setName(String name){
    this.name ="tuling_"+name;
}

在这个例子中，name 属性有自己的命名规则，不能由外部直接赋值，只能通过 setName 方法进行操作，从而保证了数据的安全性和一致性。

• ORM 框架示例：
  ORM（Object-Relational Mapping）框架是一种将对象模型映射到关系型数据库的技术。使用 ORM 框架可以简化数据库操作，开发者不需要关心底层的 SQL 语句，只需要引入相应的库即可。以 MyBatis 为例，使用时无需关心数据库连接建立和 SQL 执行过程，通过调用方法即可操作数据库。

继承

继承是指子类可以继承基类的方法，并做出自己的改变和/或扩展。子类共性的方法或属性直接使用父类的，无需重新定义，只需扩展个性化的部分。

多态

多态是基于对象所属类的不同，外部对同一个方法的调用，实际执行的逻辑不同。实现多态的条件包括继承、方法重写以及父类引用指向子类对象。例如：

父类类型 变量名=new子类对象;
变量名.方法名();

2. Java虚拟机（JVM）相关知识

• JDK、JRE与Java工具：JDK（Java Development Kit）是Java开发工具包，包含JRE（Java Runtime Environment）和一系列开发工具，如javac（用于编译Java文件）、java（用于运行Java程序）、jconsole等。JRE是Java运行时环境，提供了运行Java程序所需的所有组件，包括Java虚拟机、类库等。

• JVM内存结构：JVM内存主要包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区等。堆又分为年轻代（包含Eden区、Survivor区）和老年代。不同区域有不同的作用，例如程序计数器用于记录当前线程执行的字节码指令地址，堆用于存储对象实例等。
  
  

3. ==和equals比较

• ==对比的是栈中的值，对于基本数据类型是变量值，对于引用类型是堆中内存对象的地址。
• equals方法在Object类中默认采用==比较，通常会被重写。以String类为例，其重写后的equals方法如下：

public boolean equals(Object anObject) {
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            while (n--!= 0) {
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

该方法不仅比较地址，还会比较字符串的内容是否相等。

4. hashCode与equals

• hashCode()的作用是获取哈希码，用于确定对象在哈希表中的索引位置。它定义在JDK的Object.java中，任何类都包含该函数。
• 在哈希表存储键值对时，会利用哈希码快速检索对应的值。以HashSet检查重复为例，对象加入HashSet时，会先计算对象的hashcode值判断加入位置，若该位置已有值，再调用equals()方法检查两个对象是否相同。若相同则不允许加入，不同则重新散列。
• 关于hashCode和equals的关系：如果两个对象相等，则hashcode一定相同；两个对象有相同的hashcode值，它们不一定相等。因此，当equals方法被覆盖时，hashCode方法也必须被覆盖。

5. final关键字

• 修饰类：表示类不可被继承。
• 修饰方法：表示方法不可被子类覆盖，但可以重载。
• 修饰变量：表示变量一旦被赋值就不可更改。
  • 修饰成员变量时，如果是类变量，只能在静态初始化块中指定初始值或声明时指定；如果是成员变量，可以在非静态初始化块、声明变量或构造器中执行初始值。
  • 修饰局部变量时，系统不会为其初始化，需程序员显式初始化。使用final修饰局部变量时，可在定义时指定默认值（后续代码不能再赋值），也可在后面代码中仅一次赋初值。

6. 内部类与局部变量

内部类和外部类处于同一级别，内部类不会因定义在方法中而随方法执行完毕被销毁。当外部类方法结束，局部变量被销毁，但内部类对象可能仍存在，这可能导致内部类访问不存在的变量。为解决此问题，将局部变量复制一份作为内部类成员变量，且通常将局部变量设置为final，以保证内部类成员变量和方法局部变量的一致性。

7. String、StringBuffer、StringBuilder的区别

• String是不可变的，尝试修改会新生成一个字符串对象；StringBuffer和StringBuilder是可变的。
• StringBuffer是线程安全的，StringBuilder是线程不安全的。在单线程环境下，StringBuilder效率更高。

8. 重载和重写的区别

• 重载：发生在同一个类中，方法名必须相同，参数类型、个数、顺序不同，方法返回值和访问修饰符可以不同，发生在编译时。
• 重写：发生在父子类中，方法名、参数列表必须相同，返回值范围小于等于父类，抛出的异常范围小于等于父类，访问修饰符范围大于等于父类；若父类方法访问修饰符为private，子类不能重写该方法。

9.接口和抽象类的区别

语法层面区别

1. 方法定义：抽象类可以存在普通成员函数，而接口中只能存在 public abstract 方法。
2. 成员变量类型：抽象类中的成员变量可以是各种类型，而接口中的成员变量只能是 public static final 类型的。

设计目的区别

1. 接口：
   接口的设计目的，是对类的行为进行约束（更准确地说是一种“有约束”，因为接口不能规定类不可以有什么行为） ，也就是提供一种机制，可以强制要求不同的类具有相同的行为。它只约束了行为的有无，但不对如何实现行为进行限制。
   例如：Bird 类和 Aircraft（像飞行器一样可以飞）类，都可以实现 Flyable 接口，至于实现主体是谁、是如何实现的，接口并不关心。
2. 抽象类：
   抽象类的设计目的，是代码复用。当不同的类具有某些相同的行为(行为为集合A)，且其中一部分行为的实现方式一致时(A的非真子集，记为B) ，可以让这些类都派生于一个抽象类。在这个抽象类中实现B，避免让所有的子类来实现，这就达到了代码复用的目的。而A类剔除B的部分，留给各个子类自己实现。正是因为A - B在这里没有实现，所以抽象类不允许实例化出来（否则当调用到A - B时，无法执行）。
   比如：BMW 是 a Car，抽象类是对类本质的抽象，表达的是 is a 的关系，抽象类包含并实现了子类的通用特性，将子类存在差异化的特性进行抽象，交由子类去实现。

使用场景区别

1. 当你关注一个事物的本质的时候，用抽象类；当你关注一个操作的时候，用接口。
2. 抽象类的功能要远超过接口， 但是，定义抽象类的代价高。因为高级语言来说（从实际设计上来说也是）每个类只能继承一个类。在这个类中，你必须继承或编写出其所有子类的所有共性。虽然接口在功能上会弱化许多，但是它只是针对一个动作的描述，相比抽象类的全面性，接口更容易被使用 。

10. List和Set的区别

• List：有序，按对象进入的顺序保存对象，可重复，允许多个Null元素对象。可使用Iterator取出所有元素并遍历，也可使用get(int index)获取指定下标的元素。
• Set：无序，不可重复，最多允许有一个Null元素对象。取元素时只能用Iterator接口取得所有元素并遍历。

11. ArrayList和LinkedList区别

• 底层数据结构：ArrayList底层基于数组实现，LinkedList底层基于链表实现。
• 适用场景：由于底层结构不同，ArrayList更适合随机查找，LinkedList更适合删除和添加操作，它们的查询、添加、删除时间复杂度不同。
• 接口实现：ArrayList和LinkedList都实现了List接口，LinkedList还额外实现了Deque接口，因此LinkedList还可当作队列使用。

12. HashMap和HashTable的区别及底层实现

• 区别：HashMap方法没有synchronized修饰，线程非安全；HashTable线程安全。HashMap允许key和value为null，HashTable不允许。
• 底层实现：两者底层都采用数组 + 链表实现（JDK8开始，链表高度到8、数组长度超过64时，链表转变为红黑树）。通过计算key的hash值，二次hash后对数组长度取模确定对应数组下标。若未产生hash冲突，直接创建Node存入数组；若产生冲突，先进行equals比较，相同则取代该元素，不同则判断链表高度插入链表，链表高度达到8且数组长度到64时转变为红黑树，长度低于6时将红黑树转回链表。key为null时，在HashMap中存在下标0的位置。

13. ConcurrentHashMap的扩容机制

• 1.7版本：基于Segment分段实现，每个Segment相当于一个小型的HashMap。每个Segment内部会进行扩容，扩容逻辑和HashMap类似，先生成新数组，再转移元素，扩容判断是每个Segment内部单独进行的。
• 1.8版本：不再基于Segment实现。当某个线程进行put操作时，若发现ConcurrentHashMap正在扩容，该线程一起进行扩容；若未发现扩容，则添加key - value，然后判断是否超过阈值，超过则进行扩容。ConcurrentHashMap支持多个线程同时扩容，扩容前先生成新数组，转移元素时先将原数组分组，由不同线程负责每组元素的转移。

14. JDK1.7到JDK1.8 HashMap的变化（底层）

• 数据结构：JDK1.7中底层是数组 + 链表，JDK1.8中是数组 + 链表 + 红黑树，添加红黑树目的是提高插入和查询整体效率。
• 链表插入方式：JDK1.7中链表插入使用头插法，JDK1.8中使用尾插法。因为JDK1.8插入key和value时需判断链表元素个数，遍历链表统计个数时适合直接使用尾插法。
• 哈希算法：JDK1.7中哈希算法复杂，存在右移与异或运算；JDK1.8中进行了简化，新增红黑树后可适当简化哈希算法，节省CPU资源。

15. HashMap的put方法流程

• 根据Key通过哈希算法与与运算得出数组下标。
• 如果数组下标位置元素为空，则将key和value封装为Entry对象（JDK1.7中是Entry对象，JDK1.8中是Node对象）并放入该位置。
• 如果数组下标位置元素不为空，则分情况讨论：
  • JDK1.7中，先判断是否需要扩容，若要扩容则进行扩容，否则生成Entry对象，使用头插法添加到当前位置链表中。
  • JDK1.8中，先判断当前位置上的Node类型，若是红黑树Node，则将key和value封装为红黑树节点添加到红黑树中，过程中判断红黑树是否存在当前key，存在则更新value；若是链表Node，则将key和value封装为链表Node通过尾插法插入链表最后位置，遍历链表时判断是否存在当前key，存在则更新value，插入链表后判断链表节点个数，若超过8则将链表转成红黑树。最后判断是否需要扩容。

16. 泛型中extends和super的区别

• <? extends T>表示包括T在内的任何T的子类。
• <? super T>表示包括T在内的任何T的父类。

17. 深拷贝和浅拷贝

深拷贝和浅拷贝针对对象拷贝，对象属性包括基本数据类型和实例对象的引用。

• 浅拷贝：只会拷贝基本数据类型的值和实例对象的引用地址，不会复制引用地址指向的对象，即浅拷贝出来的对象，内部类属性指向同一个对象。
• 深拷贝：既会拷贝基本数据类型的值，也会复制实例对象引用地址指向的对象，深拷贝出来的对象，内部类执行指向的不是同一个对象。

18. HashMap的扩容机制原理

• 1.7版本：先生成新数组，遍历老数组中每个位置链表上的每个元素，取每个元素的key，基于新数组长度计算其在新数组中的下标，将元素添加到新数组，所有元素转移完后，将新数组赋值给HashMap对象的table属性。
• 1.8版本：先生成新数组，遍历老数组中每个位置的链表或红黑树。若是链表，直接将链表中每个元素重新计算下标并添加到新数组；若是红黑树，先遍历红黑树计算每个元素在新数组中的下标位置，统计每个下标位置的元素个数，若超过8则生成新的红黑树并将根节点添加到新数组对应位置，若未超过8则生成链表并将头节点添加到新数组对应位置，最后将新数组赋值给HashMap对象的table属性。

19. CopyOnWriteArrayList的底层原理

• CopyOnWriteArrayList内部通过数组实现，向其添加元素时，会复制一个新数组，写操作在新数组上进行，读操作在原数组上进行。
• 写操作会加锁，防止并发写入丢失数据。写操作结束后，原数组指向新数组。
• 该集合允许写操作时读取数据，提高了读性能，适合读多写少的场景，但比较占内存，且可能读到的数据不是实时最新的，不适合实时性要求高的场景。

20.什么是编译器和字节码？采用字节码的好处是什么？

编译器和字节码的概念

Java 引入了虚拟机的概念，即在源码和编译程序之间加入了一层抽象的虚拟的机器。这台虚拟机在任何平台上都能提供编译程序一个共同的接口。

编译程序只需面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。在 Java 中，这种供虚拟机理解的代码叫做字节码（其扩展名为 .class 文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。

每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的。Java 源程序经过编译器编译后会生成字节码，字节码由虚拟机解释执行。虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将其翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。这也就是 Java 的编译与解释并存的特点。

简单来说，编译程序把 Java 源码生成字节码，字节码再经过解释器，变成机器可执行的二进制机器码，进而运行程序。

采用字节码的好处

Java 通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题，同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以 Java 程序的运行比较高效，而且，由于字节码并不针对一种特定的机器，因此，Java 程序无须重新编译便可在多种不同的计算机上运行。