一、Java多线程二

1.Java内存模型

       首先，程序计数器 （PC，Program CounterRegister）。在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行本地方法，则是未指定值（undefined）。
       第二， Java虚拟机栈（Java Virtual MachineStack） 。早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。前面谈程序计数器时，提到了当前方法；同理，在一个时间点，对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。栈帧中存储着局部变量表、操作数（operand）栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。
       第三，堆（Heap）。它是Java内存管理的核心区域，用来放置Java对象实例，几乎所有创建的Java对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的“Xmx”之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。
       第四，方法区 （Method Area）。这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。由于早期的Hotspot JVM实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK8中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。
       第五，运行时常量池（Run-Time Constant Pool）。这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。Java的常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号引用，所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。
       第六， 本地方法栈（Native Method Stack）。它和Java虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。在Oracle Hotspot JVM中，本地方法栈和Java虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。
       JMM总结，1 从JVM运行时视角来看，JVM内存可分为JVM栈、本地方法栈、PC计数器、方法区、堆；其中前三区是线程所私有的，后两者则是所有线程共有的；2 从JVM内存功能视角来看，JVM可分为堆内存、非堆内存与其他。其中堆内存对应于上述的堆区；非堆内存对应于上述的JVM栈、本地方法栈、PC计数器、方法区；其他则对应于直接内存；3 从线程运行视角来看，JVM可分为主内存与线程工作内存。Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中；每个线程的工作内存保存了被该线程使用到的变量，这些变量是主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量；4 从垃圾回收视角来看，JVM中的堆区=新生代+老年代。新生代主要用于存放新创建的对象与存活时长小的对象，新生代=E+S1+S2；老年代则用于存放存活时间长的对象。

2.如何监控和诊断JVM内存

• 可以使用综合性的图形化工具，如JConsole、VisualVM（注意，从Oracle JDK 9开始，VisualVM已经不再包含在JDK安装包中）等。这些工具具体使用起来相对比较直观，直接连接到Java进程，然后就可以在图形化界面里掌握内存使用情况。以JConsole为例，其内存页面可以显示常见的 堆内存 和 各种堆外部分 使用状态。
• 也可以使用命令行工具进行运行时查询，如jstat和jmap等工具都提供了一些选项，可以查看堆、方法区等使用数据。
• 或者，也可以使用jmap等提供的命令，生成堆转储（Heap Dump）文件，然后利用jhat或Eclipse MAT等堆转储分析工具进行详细分析。
• 如果你使用的是Tomcat、Weblogic等Java EE服务器，这些服务器同样提供了内存管理相关的功能。
• 另外，从某种程度上来说，GC日志等输出，同样包含着丰富的信息。
  这里有一个相对特殊的部分，就是是堆外内存中的直接内存，前面的工具基本不适用，可以使用JDK自带的Native Memory Tracking（NMT）特性，它会从JVM本地内存分配的角度进行解读。

3.Java常见的垃圾收集器

• Serial GC，它是最古老的垃圾收集器，“Serial”体现在其收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入臭名昭著的“Stop-The-World”状态。当然，其单线程设计也意味着精简的GC实现，无需维护复杂的数据结构，初始化也简单，所以一直是Client模式下JVM的默认选项。 从年代的角度，通常将其老年代实现单独称作Serial Old，它采用了标记-整理（Mark-Compact）算法，区别于新生代的复制算法。
  Serial GC的对应JVM参数是：

    -XX:+UseSerialGC

• ParNew GC，很明显是个新生代GC实现，它实际是Serial GC的多线程版本，最常见的应用场景是配合老年代的CMS GC工作，下面是对应参数

    -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC

• CMS（Concurrent Mark Sweep） GC，基于标记-清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于Web等反应时间敏感的应用非常重要，一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。但是，CMS采用的标记-清除算法，存在着内存碎片化问题，所以难以避免在长时间运行等情况下发生full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然强调了并发（Concurrent），CMS会占用更多CPU资源，并和用户线程争抢。
• Parrallel GC，在早期JDK 8等版本中，它是server模式JVM的默认GC选择，也被称作是吞吐量优先的GC。它的算法和Serial GC比较相似，尽管实现要复杂的多，其特点是新生代和老年代GC都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效。
  开启选项是：

    -XX:+UseParallelGC

另外，Parallel GC引入了开发者友好的配置项，我们可以直接设置暂停时间或吞吐量等目标，JVM会自动进行适应性调整，例如下面参数：

    -XX:MaxGCPauseMillis=value
    -XX:GCTimeRatio=N // GC时间和用户时间比例 = 1 / (N+1)

• G1 GC这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的GC实现，是Oracle JDK 9以后的默认GC选项。G1可以直观的设定停顿时间的目标，相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。 G1 GC仍然存在着年代的概念，但是其内存结构并不是简单的条带式划分，而是类似棋盘的一个个region。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-整理（Mark-Compact）算法，可以有效地避免内存碎片，尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。 G1吞吐量和停顿表现都非常不错，并且仍然在不断地完善，与此同时CMS已经在JDK 9中被标记为废弃（deprecated），所以G1 GC值得你深入掌握。各种垃圾收集器特点总结如下：
         Serial收集器：串行运行；作用于新生代；复制算法；响应速度优先；适用于单CPU环境下的client模式。
         ParNew收集器：并行运行；作用于新生代；复制算法；响应速度优先；多CPU环境Server模式下与CMS配合使用。
         Parallel Scavenge收集器：并行运行；作用于新生代；复制算法；吞吐量优先；适用于后台运算而不需要太多交互的场景。
         Serial Old收集器：串行运行；作用于老年代；标记-整理算法；响应速度优先；单CPU环境下的Client模式。
         Parallel Old收集器：并行运行；作用于老年代；标记-整理算法；吞吐量优先；适用于后台运算而不需要太多交互的场景。
         CMS收集器：并发运行；作用于老年代；标记-清除算法；响应速度优先；适用于互联网或B/S业务。
         G1收集器：并发运行；可作用于新生代或老年代；标记-整理算法+复制算法；响应速度优先；面向服务端应用。

4.GC调优的思路

       对于GC调优来说，首先就需要清楚调优的目标是什么？从性能的角度看，通常关注三个方面，内存占用（footprint）、延时（latency）和吞吐量（throughput），大多数情况下调优会侧重于其中一个或者两个方面的目标，很少有情况可以兼顾三个不同的角度。当然，除了上面通常的三个方面，也可能需要考虑其他GC相关的场景，例如，OOM也可能与不合理的GC相关参数有关；或者，应用启动速度方面的需求，GC也会是个考虑的方面。基本的调优思路可以总结为：

• 理解应用需求和问题，确定调优目标。假设，我们开发了一个应用服务，但发现偶尔会出现性能抖动，出现较长的服务停顿。评估用户可接受的响应时间和业务量，将目标简化为，希望GC暂停尽量控制在200ms以内，并且保证一定标准的吞吐量。
• 掌握JVM和GC的状态，定位具体的问题，确定真的有GC调优的必要。具体有很多方法，比如，通过jstat等工具查看GC等相关状态，可以开启GC日志，或者是利用操作系统提供的诊断工具等。例如，通过追踪GC日志，就可以查找是不是GC在特定时间发生了长时间的暂停，进而导致了应用响应不及时。
• 这里需要思考，选择的GC类型是否符合我们的应用特征，如果是，具体问题表现在哪里，是Minor GC过长，还是Mixed GC等出现异常停顿情况；如果不是，考虑切换到什么类型，如CMS和G1都是更侧重于低延迟的GC选项。
• 通过分析确定具体调整的参数或者软硬件配置。
• 验证是否达到调优目标，如果达到目标，即可以考虑结束调优；否则，重复完成分析、调整、验证这个过程。

5.happens-before原则

       程序顺序原则——一个线程内保证语义的串行性；
       volatile规则——volatile变量的写先发生于读，这保证了volatile变量的可见性；
       锁规则——解锁必然发生在随后的加锁前；
       传递性——a先于b，b先于c，那么a必然先于c；
       线程的start()方法先于它的每一个动作；
       线程的所有操作先于线程的终结；
       线程的中断先于被中断线程的代码；
       对象的构造函数执行、结束先于finalize()方法。

6.Java程序在Docker上运行有哪些问题？

• 如果未配置合适的JVM堆和元数据区、直接内存等参数，Java就有可能试图使用超过容器限制的内存，最终被容器OOM kill，或者自身发生OOM。
• 错误判断了可获取的CPU资源，例如，Docker限制了CPU的核数，JVM就可能设置不合适的GC并行线程数等。
• 从应用打包、发布等角度出发，JDK自身就比较大，生成的镜像就更为臃肿，当我们的镜像非常多的时候，镜像的存储等开销就比较明显了。如果考虑到微服务、Serverless等新的架构和场景，Java自身的大小、内存占用、启动速度，都存在一定局限性，因为Java早期的优化大多是针对长时间运行的大型服务器端应用。

7.Java注入攻击

       注入式（Inject）攻击是一类非常常见的攻击方式，其基本特征是程序允许攻击者将不可信的动态内容注入到程序中，并将其执行，这就可能完全改变最初预计的执行过程，产生恶意效果。下面是几种主要的注入式攻击途径，原则上提供动态执行能力的语言特性，都需要提防发生注入攻击的可能。
       首先，就是最常见的SQL注入攻击。一个典型的场景就是Web系统的用户登录功能，根据用户输入的用户名和密码，我们需要去后端数据库核实信息。假设应用逻辑是，后端程序利用界面输入动态生成类似下面的SQL，然后让JDBC执行。

    Select * from use_info where username = “input_usr_name” and password = “input_pwd”

       但是，如果我输入的input_pwd是类似下面的文本，

    “ or “”=”

       那么，拼接出的SQL字符串就变成了下面的条件，OR的存在导致输入什么名字都是复合条件的。

    Select * from use_info where username = “input_usr_name” and password = “” or “” = “”

       这里只是举个简单的例子，它是利用了期望输入和可能输入之间的偏差。上面例子中，期望用户输入一个数值，但实际输入的则是SQL语句片段。类似场景可以利用注入的不同SQL语句，进行各种不同目的的攻击，甚至还可以加上“;delete
xxx”之类语句，如果数据库权限控制不合理，攻击效果就可能是灾难性的。
       第二，操作系统命令注入。Java语言提供了类似Runtime.exec(…)的API，可以用来执行特定命令，假设我们构建了一个应用，以输入文本作为参数，执行下面的命令：

    ls –la input_file_name

       但是如果用户输入是 “input_file_name;rm –rf/”，这就有可能出现问题了。当然，这只是个举例，Java标准类库本身进行了非常多的改进，所以类似这种编程错误，未必可以真的完成攻击，但其反映的一类场景是真实存在的。
       第三，XML注入攻击。Java核心类库提供了全面的XML处理、转换等各种API，而XML自身是可以包含动态内容的，例如XPATH，如果使用不当，可能导致访问恶意内容。还有类似LDAP等允许动态内容的协议，都是可能利用特定命令，构造注入式攻击的，包括XSS（Cross-site Scripting）攻击，虽然并不和Java直接相关，但也可能在JSP等动态页面中发生。