問(wèn)題：Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用？

• 分析：
  在實(shí)際面試中，從傳統(tǒng) IO 到 NIO、NIO 2，其中有很多地方可以擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，考察點(diǎn)涉及方方面面，比如：
  基礎(chǔ) API 功能與設(shè)計(jì)， InputStream/OutputStream 和 Reader/Writer 的關(guān)系和區(qū)別。
  NIO、NIO 2 的基本組成。
  給定場(chǎng)景，分別用不同模型實(shí)現(xiàn)，分析 BIO、NIO 等模式的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)原理。
  NIO 提供的高性能數(shù)據(jù)操作方式是基于什么原理，如何使用？
  或者，從開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，你覺(jué)得 NIO 自身實(shí)現(xiàn)存在哪些問(wèn)題？有什么改進(jìn)的想法嗎？

• 基礎(chǔ)回答：
  Java IO 方式有很多種，基于不同的 IO 抽象模型和交互方式，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單區(qū)分。

  • 首先，傳統(tǒng)的 java.io 包，它基于流模型實(shí)現(xiàn)，提供了我們最熟知的一些 IO 功能，比如 File 抽象、輸入輸出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是說(shuō)，在讀取輸入流或者寫(xiě)入輸出流時(shí)，在讀、寫(xiě)動(dòng)作完成之前，線程會(huì)一直阻塞在那里，它們之間的調(diào)用是可靠的線性順序。
    java.io 包的好處是代碼比較簡(jiǎn)單、直觀，缺點(diǎn)則是 IO 效率和擴(kuò)展性存在局限性，容易成為應(yīng)用性能的瓶頸。
    很多時(shí)候，人們也把 java.net 下面提供的部分網(wǎng)絡(luò) API，比如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也歸類(lèi)到同步阻塞 IO 類(lèi)庫(kù)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信同樣是 IO 行為。

  • 第二，在 Java 1.4 中引入了 NIO 框架（java.nio 包），提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以構(gòu)建多路復(fù)用的、同步非阻塞 IO 程序，同時(shí)提供了更接近操作系統(tǒng)底層的高性能數(shù)據(jù)操作方式。

  • 第三，在 Java 7 中，NIO 有了進(jìn)一步的改進(jìn)，也就是 NIO 2，引入了異步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。異步 IO 操作基于事件和回調(diào)機(jī)制，可以簡(jiǎn)單理解為，應(yīng)用操作直接返回，而不會(huì)阻塞在那里，當(dāng)后臺(tái)處理完成，操作系統(tǒng)會(huì)通知相應(yīng)線程進(jìn)行后續(xù)工作。

問(wèn)題：如何保證容器是線程安全的？ConcurrentHashMap 如何實(shí)現(xiàn)高效地線程安全？

• 分析：
  不管大小廠面試，對(duì)線程及線程安全一定是避不開(kāi)的話題?，F(xiàn)在的套路一般就從基本的線程并發(fā)情況下會(huì)出什么問(wèn)題--->線程并發(fā)問(wèn)安全問(wèn)題如何解決---->常用的concurrent包組件---->常用的線程安全集合---->線程安全集合的實(shí)現(xiàn)原理這一套問(wèn)題。
  在面試準(zhǔn)備過(guò)程中，concurrent包里面的常見(jiàn)組件，如線程池，Atomic，Concurrent這幾套東西，是一定要好好準(zhǔn)備。

  如果要深入思考并回答這個(gè)問(wèn)題及其擴(kuò)展方面，至少需要：

  • 理解基本的線程安全工具。
  • 理解傳統(tǒng)集合框架并發(fā)編程中 Map 存在的問(wèn)題，清楚簡(jiǎn)單同步方式的不足。
  • 梳理并發(fā)包內(nèi)，尤其是 ConcurrentHashMap 采取了哪些方法來(lái)提高并發(fā)表現(xiàn)。
  • 最好能夠掌握 ConcurrentHashMap 自身的演進(jìn)，目前的很多分析資料還是基于其早期版本。

• 基本回答：
  Java 提供了不同層面的線程安全支持。在傳統(tǒng)集合框架內(nèi)部，除了 Hashtable 等同步容器，還提供了所謂的同步包裝器（Synchronized Wrapper），我們可以調(diào)用 Collections 工具類(lèi)提供的包裝方法，來(lái)獲取一個(gè)同步的包裝容器（如 Collections.synchronizedMap），但是它們都是利用非常粗粒度的同步方式，在高并發(fā)情況下，性能比較低下。
  另外，更加普遍的選擇是利用并發(fā)包提供的線程安全容器類(lèi)，它提供了：

  • 各種并發(fā)容器，比如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList。

  • 各種線程安全隊(duì)列（Queue/Deque），如 ArrayBlockingQueue、SynchronousQueue。

  • 各種有序容器的線程安全版本等。

  具體保證線程安全的方式，包括有從簡(jiǎn)單的 synchronize 方式，到基于更加精細(xì)化的，比如基于分離鎖實(shí)現(xiàn)的 ConcurrentHashMap 等并發(fā)實(shí)現(xiàn)等。具體選擇要看開(kāi)發(fā)的場(chǎng)景需求，總體來(lái)說(shuō)，并發(fā)包內(nèi)提供的容器通用場(chǎng)景，遠(yuǎn)優(yōu)于早期的簡(jiǎn)單同步實(shí)現(xiàn)。

  其次，ConcurrentHashMap 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其實(shí)一直在演化，比如在 Java 8 中就發(fā)生了非常大的變化（Java 7 其實(shí)也有不少更新）這里先簡(jiǎn)單說(shuō)明，早期 ConcurrentHashMap，其實(shí)現(xiàn)是基于：

  • 分離鎖，也就是將內(nèi)部進(jìn)行分段（Segment），里面則是 HashEntry 的數(shù)組，和 HashMap 類(lèi)似，哈希相同的條目也是以鏈表形式存放。
  • HashEntry 內(nèi)部使用 volatile 的 value 字段來(lái)保證可見(jiàn)性，也利用了不可變對(duì)象的機(jī)制以改進(jìn)利用 Unsafe 提供的底層能力，比如 volatile access，去直接完成部分操作，以最優(yōu)化性能，畢竟 Unsafe 中的很多操作都是 JVM intrinsic 優(yōu)化過(guò)的。

問(wèn)題：synchronized 和 ReentrantLock 有什么區(qū)別？有人說(shuō) synchronized 最慢，這話靠譜嗎？

• 分析：題目是考察并發(fā)編程的常見(jiàn)基礎(chǔ)題，下面給出的典型回答算是一個(gè)相對(duì)全面的總結(jié)。
  對(duì)于并發(fā)編程，不同公司或者面試官面試風(fēng)格也不一樣，有個(gè)別大廠喜歡一直追問(wèn)你相關(guān)機(jī)制的擴(kuò)展或者底層，有的喜歡從實(shí)用角度出發(fā)，所以你在準(zhǔn)備并發(fā)編程方面需要一定的耐心。
  個(gè)人認(rèn)為，鎖作為并發(fā)的基礎(chǔ)工具之一，你至少需要掌握：

  • 理解什么是線程安全。
  • synchronized、ReentrantLock 等機(jī)制的基本使用與案例。
    更進(jìn)一步，你還需要：
  • 掌握 synchronized、ReentrantLock 底層實(shí)現(xiàn)；理解鎖膨脹、降級(jí)；理解偏斜鎖、自旋鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖等概念。
  • 掌握并發(fā)包中 java.util.concurrent.lock 各種不同實(shí)現(xiàn)和案例分析。

• 基本回答：
  synchronized 是 Java 內(nèi)建的同步機(jī)制，所以也有人稱(chēng)其為 Intrinsic Locking，它提供了互斥的語(yǔ)義和可見(jiàn)性，當(dāng)一個(gè)線程已經(jīng)獲取當(dāng)前鎖時(shí)，其他試圖獲取的線程只能等待或者阻塞在那里。

  在 Java 5 以前，synchronized 是僅有的同步手段，在代碼中， synchronized 可以用來(lái)修飾方法，也可以使用在特定的代碼塊兒上，本質(zhì)上 synchronized 方法等同于把方法全部語(yǔ)句用 synchronized 塊包起來(lái)。

  ReentrantLock，通常翻譯為再入鎖，是 Java 5 提供的鎖實(shí)現(xiàn)，它的語(yǔ)義和 synchronized 基本相同。再入鎖通過(guò)代碼直接調(diào)用 lock() 方法獲取，代碼書(shū)寫(xiě)也更加靈活。與此同時(shí)，ReentrantLock 提供了很多實(shí)用的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)很多 synchronized 無(wú)法做到的細(xì)節(jié)控制，比如可以控制 fairness，也就是公平性，或者利用定義條件等。但是，編碼中也需要注意，必須要明確調(diào)用 unlock() 方法釋放，不然就會(huì)一直持有該鎖。

  synchronized 和 ReentrantLock 的性能不能一概而論，早期版本 synchronized 在很多場(chǎng)景下性能相差較大，在后續(xù)版本進(jìn)行了較多改進(jìn)，在低競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景中表現(xiàn)可能優(yōu)于 ReentrantLock。

推薦資源：
Java基礎(chǔ)教學(xué)視頻，https://ke.qq.com/course/272077和https://ke.qq.com/course/326275