Java面试题-JVM虚拟机篇
1. JVM 内存结构
1.1、要求
- 掌握 JVM 内存结构划分
- 尤其要知道方法区、永久代、元空间的关系
1.2、结合一段 java 代码的执行理解内存划分
线程私有：
- 程序计数器
- 虚拟机栈
线程共享
- 堆
- 方法区
理解内存划分
- 执行 javac 命令编译源代码为字节码
- 执行 java 命令
- 创建 JVM，调用类加载子系统加载 class，将类的信息存入方法区
- 创建 main 线程，使用的内存区域是 JVM 虚拟机栈，开始执行 main 方法代码
- 如果遇到了未见过的类，会继续触发类加载过程，同样会存入方法区
- 需要创建对象，会使用堆内存来存储对象
- 不再使用的对象，会由垃圾回收器在内存不足时回收其内存
- 调用方法时，方法内的局部变量、方法参数所使用的是 JVM 虚拟机栈中的栈帧内存
- 调用方法时，先要到方法区获得到该方法的字节码指令，由解释器将字节码指令解释为机器码执行
- 调用方法时，会将要执行的指令行号读到程序计数器，这样当发生了线程切换，恢复时就可以从中断的位置继续
- 对于非 java 实现的方法调用，使用内存称为本地方法栈（见说明）
- 对于热点方法调用，或者频繁的循环代码，由 JIT 即时编译器将这些代码编译成机器码缓存，提高执行性能
说明
- 加粗字体代表了 JVM 虚拟机组件
- 对于 Oracle 的 Hotspot 虚拟机实现，不区分虚拟机栈和本地方法栈
1.3、会发生内存溢出的区域
- 不会出现内存溢出的区域 – 程序计数器
- 出现 OutOfMemoryError 的情况
- 堆内存耗尽 – 对象越来越多，又一直在使用，不能被垃圾回收
- 方法区内存耗尽 – 加载的类越来越多，很多框架都会在运行期间动态产生新的类
- 虚拟机栈累积 – 每个线程最多会占用 1 M 内存，线程个数越来越多，而又长时间运行不销毁时
- 出现 StackOverflowError 的区域
- JVM 虚拟机栈，原因有方法递归调用未正确结束、反序列化 json 时循环引用
1.4、方法区、永久代、元空间
- 方法区是 JVM 规范中定义的一块内存区域，用来存储类元数据、方法字节码、即时编译器需要的信息等
- 永久代是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的实现（1.8 之前）
- 元空间是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的另一种实现（1.8 以后），使用本地内存作为这些信息的存储空间
从这张图学到三点
- 当第一次用到某个类是，由类加载器将 class 文件的类元信息读入，并存储于元空间
- X，Y 的类元信息是存储于元空间中，无法直接访问
- 可以用 X.class，Y.class 间接访问类元信息，它们俩属于 java 对象，我们的代码中可以使用
从这张图可以学到
- 堆内存中：当一个类加载器对象，这个类加载器对象加载的所有类对象，这些类对象对应的所有实例对象都没人引用时，GC 时就会对它们占用的对内存进行释放
- 元空间中：内存释放以类加载器为单位，当堆中类加载器内存释放时，对应的元空间中的类元信息也会释放
2. JVM 内存参数
要求
- 熟悉常见的 JVM 参数，尤其和大小相关的
常见的 JVM 参数
对于JVM内存配置参数:
-Xmx10240m -Xms10240m -Xmn5120m -XX:SurvivorRatio=3其最小内存值和Survivor区总大小分别是
参数解答：
-Xmx10240m最大内存 10240M = 10G-Xms10240m最小内存 10240M = 10G-Xmn5120m新生代内存数 5120M = 5G-XX:SurvivorRatio=3-XX:NewRatio= old老年代 / new新生代
内存配置
- 老年代old
- 新生代new
- 伊甸园区eden
- survivor区（from+to）
比例计算
SurvivorRatio == 伊甸园区eden/from == 伊甸园区eden/to
eden = 3
from = 1
to = 1
5G / (3 + 1 + 1)
= 5G / 5
= 1G
Survivor = from + to = 1G + 1G = 2G所以：最小内存值10G；Survivor区总大小是2G
堆内存，按大小设置
解释：
- -Xms 最小堆内存（包括新生代和老年代）
- -Xmx 最大对内存（包括新生代和老年代）
- 通常建议将 -Xms 与 -Xmx 设置为大小相等，即不需要保留内存，不需要从小到大增长，这样性能较好
- -XX:NewSize 与 -XX:MaxNewSize 设置新生代的最小与最大值，但一般不建议设置，由 JVM 自己控制
- -Xmn 设置新生代大小，相当于同时设置了 -XX:NewSize 与 -XX:MaxNewSize 并且取值相等
- 保留是指，一开始不会占用那么多内存，随着使用内存越来越多，会逐步使用这部分保留内存。下同
建议生产环境设置为一样: Xmx=Xms
堆内存，按比例设置
解释：
- -XX:NewRatio=2:1 表示老年代占两份，新生代占一份
- -XX:SurvivorRatio=4:1 表示新生代分成六份，伊甸园占四份，from 和 to 各占一份
元空间内存设置
解释：
- class space 存储类的基本信息，最大值受 -XX:CompressedClassSpaceSize 控制
- non-class space 存储除类的基本信息以外的其它信息（如方法字节码、注解等）
- class space 和 non-class space 总大小受 -XX:MaxMetaspaceSize 控制
注意：
- 这里 -XX:CompressedClassSpaceSize 这段空间还与是否开启了指针压缩有关，这里暂不深入展开，可以简单认为指针压缩默认开启
代码缓存内存设置
存放JIT编译后的代码
解释：
- 如果 -XX:ReservedCodeCacheSize < 240m，所有优化机器代码不加区分存在一起
- 否则，分成三个区域（图中笔误 mthod 拼写错误，少一个 e）
- non-nmethods - JVM 自己用的代码
- profiled nmethods - 部分优化的机器码
- non-profiled nmethods - 完全优化的机器码
线程内存设置
-Xss默认1M
官方参考文档
3. JVM 垃圾回收
要求
- 掌握垃圾回收算法
- 掌握分代回收思想
- 理解三色标记及漏标处理
- 了解常见垃圾回收器
三种垃圾回收算法
- 标记清除法（已废弃）
- 标记整理法（适用于：老年代）
- 标记复制法（适用于新生代）
1、标记清除法
解释：
- 找到 GC Root 对象，即那些一定不会被回收的对象，如正执行方法内局部变量引用的对象、静态变量引用的对象
- 标记阶段：沿着 GC Root 对象的引用链找，直接或间接引用到的对象加上标记
- 清除阶段：释放未加标记的对象占用的内存
要点：
- 标记速度与存活对象线性关系
- 清除速度与内存大小线性关系
- 缺点是会产生内存碎片
2、标记整理法
解释：
- 前面的标记阶段、清理阶段与标记清除法类似
- 多了一步整理的动作，将存活对象向一端移动，可以避免内存碎片产生
特点：
标记速度与存活对象线性关系
清除与整理速度与内存大小成线性关系
缺点是性能上较慢
3、标记复制法
解释：
- 将整个内存分成两个大小相等的区域，from 和 to，其中 to 总是处于空闲，from 存储新创建的对象
- 标记阶段与前面的算法类似
- 在找出存活对象后，会将它们从 from 复制到 to 区域，复制的过程中自然完成了碎片整理
- 复制完成后，交换 from 和 to 的位置即可
特点：
- 标记与复制速度与存活对象成线性关系
- 缺点是会占用成倍的空间
GC 垃圾回收
GC 的目的在于实现无用对象内存自动释放，减少内存碎片、加快分配速度
GC 要点：
- 回收区域是
堆内存，不包括虚拟机栈 - 判断无用对象，使用
可达性分析算法，三色标记法标记存活对象，回收未标记对象 - GC 具体的实现称为
垃圾回收器 - GC 大都采用了
分代回收思想- 理论依据是大部分对象朝生夕灭，用完立刻就可以回收，另有少部分对象会长时间存活，每次很难回收
- 根据这两类对象的特性将回收区域分为
新生代和老年代，新生代采用标记复制法、老年代一般采用标记整理法
- 根据 GC 的规模可以分成
Minor GC，Mixed GC，Full GC
分代回收
- 伊甸园 eden，最初对象都分配到这里，与幸存区 survivor（分成 from 和 to）合称新生代，
- 当伊甸园内存不足，标记伊甸园与 from（现阶段没有）的存活对象
- 将存活对象采用复制算法复制到 to 中，复制完毕后，伊甸园和 from 内存都得到释放
- 将 from 和 to 交换位置
- 经过一段时间后伊甸园的内存又出现不足
- 标记伊甸园与 from（现阶段没有）的存活对象
- 将存活对象采用复制算法复制到 to 中
- 复制完毕后，伊甸园和 from 内存都得到释放
- 将 from 和 to 交换位置
- 老年代 old，当幸存区对象熬过几次回收（最多15次），晋升到老年代（幸存区内存不足或大对象会导致提前晋升）
GC 规模
Minor GC发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短Mixed GC新生代 + 老年代部分区域的垃圾回收，G1 收集器特有Full GC新生代 + 老年代完整垃圾回收，暂停时间长，应尽力避免
三色标记
即用三种颜色记录对象的标记状态
- 黑色 – 已标记
- 灰色 – 标记中
- 白色 – 还未标记
- 起始的三个对象还未处理完成，用灰色表示
- 该对象的引用已经处理完成，用黑色表示，黑色引用的对象变为灰色
- 依次类推
- 沿着引用链都标记了一遍
- 最后为标记的白色对象，即为垃圾
并发漏标问题
比较先进的垃圾回收器都支持并发标记，即在标记过程中，用户线程仍然能工作。但这样带来一个新的问题，如果用户线程修改了对象引用，那么就存在漏标问题。例如：
- 如图所示标记工作尚未完成
- 用户线程同时在工作，断开了第一层 3、4 两个对象之间的引用，这时对于正在处理 3 号对象的垃圾回收线程来讲，它会将 4 号对象当做是白色垃圾
- 但如果其他用户线程又建立了 2、4 两个对象的引用，这时因为 2 号对象是黑色已处理对象了，因此垃圾回收线程不会察觉到这个引用关系的变化，从而产生了漏标
- 如果用户线程让黑色对象引用了一个新增对象，一样会存在漏标问题
因此对于并发标记而言，必须解决漏标问题，也就是要记录标记过程中的变化。有两种解决方法：
- Incremental Update 增量更新法，CMS 垃圾回收器采用
- 思路是拦截每次赋值动作，只要赋值发生，被赋值的对象就会被记录下来，在重新标记阶段再确认一遍
- Snapshot At The Beginning，SATB 原始快照法，G1 垃圾回收器采用
- 思路也是拦截每次赋值动作，不过记录的对象不同，也需要在重新标记阶段对这些对象二次处理
- 新加对象会被记录
- 被删除引用关系的对象也被记录
垃圾回收器
1、垃圾回收器 - Parallel GC
eden 内存不足发生 Minor GC，采用标记复制算法，需要暂停用户线程
old 内存不足发生 Full GC，采用标记整理算法，需要暂停用户线程
注重吞吐量
2、垃圾回收器 - ConcurrentMarkSweep GC
它是工作在 old 老年代，支持并发标记的一款回收器，采用并发清除算法
- 并发标记时不需暂停用户线程
- 重新标记时仍需暂停用户线程
如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发 Full GC
注重响应时间
3、垃圾回收器 - G1 GC
- 响应时间与吞吐量兼顾
- 划分成多个区域，每个区域都可以充当 eden，survivor，old， humongous，其中 humongous 专为大对象准备
- 分成三个阶段：新生代回收、并发标记、混合收集
- 如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发 Full GC
G1 回收阶段 - 新生代回收
- 初始时，所有区域都处于空闲状态
- 创建了一些对象，挑出一些空闲区域作为伊甸园区存储这些对象
- 当伊甸园需要垃圾回收时，挑出一个空闲区域作为幸存区，用复制算法复制存活对象，需要暂停用户线程
- 复制完成，将之前的伊甸园内存释放
5. 随着时间流逝，伊甸园的内存又有不足
6. 将伊甸园以及之前幸存区中的存活对象，采用复制算法，复制到新的幸存区，其中较老对象晋升至老年代
7. 释放伊甸园以及之前幸存区的内存
G1 回收阶段 - 并发标记与混合收集
- 当老年代占用内存超过阈值后，触发并发标记，这时无需暂停用户线程
- 并发标记之后，会有重新标记阶段解决漏标问题，此时需要暂停用户线程。这些都完成后就知道了老年代有哪些存活对象，随后进入混合收集阶段。此时不会对所有老年代区域进行回收，而是根据暂停时间目标优先回收价值高（存活对象少）的区域（这也是 Gabage First 名称的由来）。
- 混合收集阶段中，参与复制的有 eden、survivor、old，下图显示了伊甸园和幸存区的存活对象复制
- 下图显示了老年代和幸存区晋升的存活对象的复制
- 复制完成，内存得到释放。进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集
4. 内存溢出
要求
- 能够说出几种典型的导致内存溢出的情况
典型情况
- 误用线程池导致的内存溢出
- 参考 day03.TestOomThreadPool
- 查询数据量太大导致的内存溢出
- 参考 day03.TestOomTooManyObject
- 动态生成类导致的内存溢出
- 参考 day03.TestOomTooManyClass
5. 类加载
要求
- 掌握类加载阶段
- 掌握类加载器
- 理解双亲委派机制
类加载过程的三个阶段
加载
将类的字节码载入方法区，并创建类.class 对象
如果此类的父类没有加载，先加载父类
加载是懒惰执行
链接
- 验证 – 验证类是否符合 Class 规范，合法性、安全性检查
- 准备 – 为 static 变量分配空间，设置默认值
- 解析 – 将常量池的符号引用解析为直接引用
初始化
- 静态代码块、static 修饰的变量赋值、static final 修饰的引用类型变量赋值，会被合并成一个
<cinit>方法，在初始化时被调用 - static final 修饰的基本类型变量赋值，在链接阶段就已完成
- 初始化是懒惰执行
- 静态代码块、static 修饰的变量赋值、static final 修饰的引用类型变量赋值，会被合并成一个
验证手段
- 使用 jps 查看进程号
- 使用 jhsdb 调试，执行命令
jhsdb.exe hsdb打开它的图形界面
- Class Browser 可以查看当前 jvm 中加载了哪些类
- 控制台的 universe 命令查看堆内存范围
- 控制台的 g1regiondetails 命令查看 region 详情
scanoops 起始地址 结束地址 对象类型可以根据类型查找某个区间内的对象地址- 控制台的
inspect 地址指令能够查看这个地址对应的对象详情- 使用 javap 命令可以查看 class 字节码
代码说明
- day03.loader.TestLazy - 验证类的加载是懒惰的，用到时才触发类加载
- day03.loader.TestFinal - 验证使用 final 修饰的变量不会触发类加载
jdk 8 的类加载器
| 名称 | 加载哪的类 | 说明 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader | JAVA_HOME/jre/lib | 无法直接访问 |
| Extension ClassLoader | JAVA_HOME/jre/lib/ext | 上级为 Bootstrap，显示为 null |
| Application ClassLoader | classpath | 上级为 Extension |
| 自定义类加载器 | 自定义 | 上级为 Application |
双亲委派机制
所谓的双亲委派，就是指优先委派上级类加载器进行加载，如果上级类加载器
- 能找到这个类，由上级加载，加载后该类也对下级加载器可见
- 找不到这个类，则下级类加载器才有资格执行加载
双亲委派的目的有两点
让上级类加载器中的类对下级共享（反之不行），即能让你的类能依赖到 jdk 提供的核心类
让类的加载有优先次序，保证核心类优先加载
对双亲委派的误解
下面面试题的回答是错误的
错在哪了？
自己编写类加载器就能加载一个假冒的 java.lang.System 吗? 答案是不行。
假设你自己的类加载器用双亲委派，那么优先由启动类加载器加载真正的 java.lang.System，自然不会加载假冒的
假设你自己的类加载器不用双亲委派，那么你的类加载器加载假冒的 java.lang.System 时，它需要先加载父类 java.lang.Object，而你没有用委派，找不到 java.lang.Object 所以加载会失败
以上也仅仅是假设。事实上操作你就会发现，自定义类加载器加载以 java. 打头的类时，会抛安全异常，在 jdk9 以上版本这些特殊包名都与模块进行了绑定，更连编译都过不了
代码说明
- day03.loader.TestJdk9ClassLoader - 演示类加载器与模块的绑定关系
6. 四种引用
要求
- 掌握四种引用
强引用
普通变量赋值即为强引用，如 A a = new A();
通过 GC Root 的引用链，如果强引用不到该对象，该对象才能被回收
软引用（SoftReference）
例如：SoftReference a = new SoftReference(new A());
如果仅有软引用该对象时，首次垃圾回收不会回收该对象，如果内存仍不足，再次回收时才会释放对象
软引用自身需要配合引用队列来释放
典型例子是反射数据
弱引用（WeakReference）
例如：WeakReference a = new WeakReference(new A());
如果仅有弱引用引用该对象时，只要发生垃圾回收，就会释放该对象
弱引用自身需要配合引用队列来释放
典型例子是 ThreadLocalMap 中的 Entry 对象
虚引用（PhantomReference）
例如： PhantomReference a = new PhantomReference(new A(), referenceQueue);
必须配合引用队列一起使用，当虚引用所引用的对象被回收时，由 Reference Handler 线程将虚引用对象入队，这样就可以知道哪些对象被回收，从而对它们关联的资源做进一步处理
典型例子是 Cleaner 释放 DirectByteBuffer 关联的直接内存
代码说明
- day03.reference.TestPhantomReference - 演示虚引用的基本用法
- day03.reference.TestWeakReference - 模拟 ThreadLocalMap, 采用引用队列释放 entry 内存
7. finalize
要求
- 掌握 finalize 的工作原理与缺点
finalize
- 它是 Object 中的一个方法，如果子类重写它，垃圾回收时此方法会被调用，可以在其中进行资源释放和清理工作
- 将资源释放和清理放在 finalize 方法中非常不好，非常影响性能，严重时甚至会引起 OOM，从 Java9 开始就被标注为 @Deprecated，不建议被使用了
finalize 原理
- 对 finalize 方法进行处理的核心逻辑位于 java.lang.ref.Finalizer 类中，它包含了名为 unfinalized 的静态变量（双向链表结构），Finalizer 也可被视为另一种引用对象（地位与软、弱、虚相当，只是不对外，无法直接使用）
- 当重写了 finalize 方法的对象，在构造方法调用之时，JVM 都会将其包装成一个 Finalizer 对象，并加入 unfinalized 链表中
- Finalizer 类中还有另一个重要的静态变量，即 ReferenceQueue 引用队列，刚开始它是空的。当狗对象可以被当作垃圾回收时，就会把这些狗对象对应的 Finalizer 对象加入此引用队列
- 但此时 Dog 对象还没法被立刻回收，因为 unfinalized -> Finalizer 这一引用链还在引用它嘛，为的是【先别着急回收啊，等我调完 finalize 方法，再回收】
- FinalizerThread 线程会从 ReferenceQueue 中逐一取出每个 Finalizer 对象，把它们从链表断开并真正调用 finallize 方法
- 由于整个 Finalizer 对象已经从 unfinalized 链表中断开，这样没谁能引用到它和狗对象，所以下次 gc 时就被回收了
finalize 缺点
- 无法保证资源释放：FinalizerThread 是守护线程，代码很有可能没来得及执行完，线程就结束了
- 无法判断是否发生错误：执行 finalize 方法时，会吞掉任意异常（Throwable）
- 内存释放不及时：重写了 finalize 方法的对象在第一次被 gc 时，并不能及时释放它占用的内存，因为要等着 FinalizerThread 调用完 finalize，把它从 unfinalized 队列移除后，第二次 gc 时才能真正释放内存
- 有的文章提到【Finalizer 线程会和我们的主线程进行竞争，不过由于它的优先级较低，获取到的CPU时间较少，因此它永远也赶不上主线程的步伐】这个显然是错误的，FinalizerThread 的优先级较普通线程更高，原因应该是 finalize 串行执行慢等原因综合导致
代码说明
- day03.reference.TestFinalize - finalize 的测试代码