Java

Java 是成熟的、面向对象的编程语言，以"一次编写，到处运行"（Write Once, Run Anywhere）著称。Java 在企业级应用中有广泛应用，如 Web 服务（Spring Boot）、大数据（Hadoop、Spark）、Android 开发。

Java 生态

JVM（Java Virtual Machine）

JVM 是 Java 的核心，负责将字节码编译成机器码并执行。JVM 包含：类加载器（ClassLoader，加载 class 文件）、运行时数据区（堆、栈、方法区、程序计数器、本地方法栈）、执行引擎（解释器、JIT 编译器、GC）、本地库接口（JNI）。

JVM 的优势：跨平台（字节码可以在任何有 JVM 的平台上运行）、安全（沙箱机制限制权限）、动态（运行时加载类）。JVM 的劣势：启动慢（JIT 编译需要时间）、内存占用大（堆、栈、元空间）。

JDK vs JRE

JDK（Java Development Kit）是 Java 开发工具包，包含 JRE、编译器（javac）、工具（javadoc、jdb）。JRE（Java Runtime Environment）是 Java 运行环境，包含 JVM、类库。

Java 版本

Java 8（LTS，2014）：Lambda 表达式、Stream API、日期时间 API。Java 11（LTS，2018）：本地变量类型推断（var）、HTTP Client、模块化系统。Java 17（LTS，2021）：密封类、模式匹配、记录类（Record）。Java 21（LTS，2023）：虚拟线程（Virtual Threads）、模式匹配增强、字符串模板。

内存模型

JVM 内存结构

堆（Heap）：存储对象实例，是 GC 的主要区域。栈（Stack）：存储方法调用和局部变量，线程私有。方法区（Method Area）：存储类信息、常量、静态变量，JDK 8 后称为元空间（Metaspace）。程序计数器（Program Counter）：存储当前执行的字节码指令，线程私有。本地方法栈（Native Method Stack）：存储本地方法（native）的调用，线程私有。

堆内存划分

新生代（Young Generation）：Eden 区（新对象）、Survivor 区（From、To，存活对象）。老年代（Old Generation）：存活时间长的对象。JDK 8 后移除永久代，使用元空间（本地内存）。

对象创建与分配

对象创建流程：类加载检查 → 分配内存（TLAB，Thread Local Allocation Buffer，线程本地分配缓冲）→ 初始化零值 → 设置对象头 → 执行 <init> 方法。

对象分配策略：对象优先在 Eden 区分配、大对象直接进入老年代、长期存活对象进入老年代（年龄阈值，默认 15）、动态年龄判定（Survivor 区对象年龄总和超过阈值，进入老年代）。

垃圾回收

GC 算法

标记清除（Mark-Sweep）：标记存活对象，清除未标记对象。问题：碎片化。标记整理（Mark-Compact）：标记存活对象，将存活对象移动到一端。问题：移动开销大。复制算法（Copying）：将存活对象复制到另一块内存，清空当前内存。问题：内存利用率低。

分代 GC

新生代 GC（Minor GC）：复制算法， Eden + From → To，存活对象年龄 +1。老年代 GC（Major GC/Full GC）：标记清除或标记整理，老年代和新生代都回收。

GC 器

Serial GC：单线程 GC，适合小内存、单核。Parallel GC：多线程 GC，适合多核、吞吐量优先。CMS（Concurrent Mark Sweep）：并发标记清除，低延迟（JDK 14 移除）。G1（Garbage First）：分区 GC，可预测停顿时间（JDK 9 后默认）。ZGC：低延迟 GC，停顿时间 < 10ms（JDK 15+）。Shenandoah：低延迟 GC，与 ZGC 类似。

GC 调优

GC 日志：-Xlog:gc*（JDK 9+）、-XX:+PrintGCDetails（JDK 8）。GC 参数：-Xms（初始堆）、-Xmx（最大堆）、-XX:NewRatio（新生代比例）、-XX:SurvivorRatio（Eden:Survivor 比例）。

GC 调优目标：低延迟（停顿时间）、高吞吐量（GC 时间占比）、小内存（堆内存占用）。调优策略：调整堆大小、调整新生代比例、选择合适的 GC 器、优化对象分配（减少对象创建、使用对象池）。

并发编程

线程

线程是 Java 并发的基本单位。创建线程：继承 Thread 类、实现 Runnable 接口、实现 Callable 接口（有返回值）。线程池：ThreadPoolExecutor、ForkJoinPool、ScheduledThreadPoolExecutor。

锁

synchronized：内置锁，基于 monitor，可重入。Lock 接口：ReentrantLock（可重入锁）、ReentrantReadWriteLock（读写锁）。锁优化：偏向锁（Biased Locking，无竞争时偏向线程）、轻量级锁（Lightweight Locking，无竞争时 CAS）、重量级锁（Heavyweight Locking，竞争时阻塞）。

原子类

AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference：基于 CAS（Compare-And-Swap）实现无锁并发。CAS 的问题：ABA 问题（版本号解决）、循环时间长开销大（LongAdder 解决）、只能保证一个变量（AtomicReference 解决）。

并发容器

ConcurrentHashMap：分段锁（JDK 7）、CAS + synchronized（JDK 8）。CopyOnWriteArrayList：写时复制，适合读多写少。BlockingQueue：阻塞队列，支持生产者-消费者模式。

虚拟线程（Virtual Threads）

虚拟线程的原理

虚拟线程是 JDK 21 引入的轻量级线程，由 JVM 调度而非 OS。虚拟线程的优势：轻量级（一个虚拟线程只占几百字节）、高并发（可以创建数百万个虚拟线程）、简单（像线程一样使用）。

虚拟线程 vs 平台线程

平台线程（Platform Thread）是 OS 线程的包装，1:1 映射到 OS 线程。虚拟线程（Virtual Thread）是 JVM 调度的协程，M:N 映射到 OS 线程。平台线程创建和销毁开销大，虚拟线程创建和销毁开销小。

虚拟线程的使用

创建虚拟线程：Thread.ofVirtual().start(() -> { ... })。虚拟线程池：Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()。阻塞操作（如 I/O）会释放虚拟线程，不会阻塞平台线程。

虚拟线程的问题

虚拟线程不适合 CPU 密集型任务（仍然占用平台线程）。虚拟线程不支持 ThreadLocal（或慎用，可能导致内存泄漏）。虚拟线程的异常处理复杂（需要 UncaughtExceptionHandler）。

Java 的适用场景

适合的场景

企业级应用：Spring Boot、微服务、RESTful API。大数据：Hadoop、Spark、Flink。Android 开发：Android SDK 是 Java（Kotlin 兼容）。科学计算：ND4J、Deeplearning4j。

不适合的场景

系统编程：无直接内存访问、无指针。实时系统：GC 停顿不可预测。高性能服务：启动慢、内存占用大。

Java 是成熟的、生态丰富的语言，适合企业级应用和大数据。理解 Java 的 JVM、内存模型、GC、并发编程，有助于编写高性能、稳定的 Java 应用。