JVM 面试考点

现在JVM 在很多大厂面试中都有问道，并且在我们实际开发中这个也是对我们实际的开发有重大帮助的，也是你走到高级程序员道路的必修之路。

那么我们先看看整体的架构图，然后在把架构图里面的内容一一讲解

那么JVM 到底是什么呢？ 首先他是一个虚拟机，然后它是运行在操作系统上的，它又硬件没有直接交互。

类装载器ClassLoader

• 负责加载class文件，class文件在文件的开头有特定的文件标识，将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区（Java8 为原空间）中运行时数据结构并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine 决定。(主要加载的类都在以下目录中)
  1. echo %JAVA_HOME%
  2. echo %PATH%

  3. echo %CLASSPATH%

     
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• 类加载器有多少种呢 ？ 默认JDK 给我们提供三种

  
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  1. 虚拟机自带的加载器
     • 启动器加载器（Bootstrap）C++
     • 扩展类加载器（Extension）Java
     • 应用程序类加载器（AppClassLoader）Java也叫系统类加载器，加载当前应用的classload的所有类。
  2. 自定义加载器
     • Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以制定类的加载方式。
• 双亲委派机制
  1. 当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在 它的加载路径下没有找到所需加载Class）,子类加载器才会尝试自己去加载。
  2. 采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object,不管是那个加载器加载这个类，最终都委派给顶层的启动类加载器进行加载，这样就算使用不同的类加载器最终得到的都是同一个Object对象。

Execution Engine 执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。

Native Interface 本地接口

• 本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所使用,它的初衷是融合C/C++ 程序，Java诞生的时候是C/C++横行的时候，要想立足，必须调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native方法，在Execution Engine 执行时加载Native libraies .
• 目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用已经很少见了，因为现在异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。

Native Method Stack

• 它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

PC寄存器

• 每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址，也即将执行），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以
  忽略不记。
• 这块内存区域很小，它是当前线程执行字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
• 如果执行的是一个Native方法，那这个计数器是空的。
• 用以完成分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。不会发生内存溢出（OutOfMemory=OOM）错误。

Methon Area 方法区

• 供各个线程运行时的内存区域的，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容。上面讲的是规范，在不同虚拟机里头实现是不一样的，最典型的就是永久代（PermGen space）和元空间（Metespace ）But 实例变量存在堆内存中，和方法区无关。

Stack 栈

• 栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放了，对于栈来说，不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致，是线程私有的。8种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在函数的栈内存中分布。
• 栈中主要存储的内容有什么内容？ （主要保存3类数据）
  1. 本地变量（local Variables）:输入参数和输出参数以及方法内的变量。
  2. 栈操作（Operand Stack）：记录出栈，入栈的操作；
  3. 栈帧数据（Frame Data ）:包括类文件，方法等等。
• 栈运行原理：
  1. 栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法（Method）和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1,并被压入了栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2 也被压入了栈，B方法又调用了C方法，于是产生了栈帧F3也被压入了栈，..... 执行完毕后，先弹出F3栈帧，在弹出F2栈帧，在弹出F1栈帧....... 遵循先进后出/后进先出的原则，
  2. 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口、方法出口等信息，每一个方法从调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。栈的大小和具体JVM的实现有关，通常在256k756k之间，约等于1Mb左右。
• 栈运行时候，也会出现错误

  1. Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError（一般产生这种错误主要是栈内存溢出，一般递归算法会产生这种异常）

     
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堆

• 一个JVM实例只存储在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存主要分为三个部份。
  1. Young Generation Space 新生区 Young/New
  2. Tenure Generation Space 养老区 Old/Tenure
  3. Permanent Space 永久区 Perm
• Heap 堆（JDK7 以前）

  1. 堆内存逻辑上分为三个部分：新生、养老、永久。

     
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  2. 新生区
     • 新生区是类的诞生、生长、消亡的区域，一个类在这里生产，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space ）和幸存者区（Survivor space）,所有的类都是在伊甸区被new 出来的。幸存者区分为两个：0区（Survivor 0 Space ）和 1 区（Survivor 1 Space ）。当伊甸区的空间用完了时，程序又需要创建对象，JVM 的垃圾回收器将对伊甸区进行垃圾回收（Minor GC） ，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁，然后将伊甸园中剩余的对象移动到幸存者0区。若0区也满了 ，在对该区进行垃圾回收，然后移动到1区，如果1区也满了呢？在移动到养老区。若养老区也满了，那么这个给时候将产生Major GC(Full GC) ，进行养老区的内存清理.若养老区执行了Full GC 之后发现依然无法进行对象保存，就会产生OOM异常（OutOfMemoryError）。
     • 如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：
       • Java 虚拟机的堆内存设置不够，可以使用-Xms -Xmx 来调整。
       • 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

     • Java 堆从GC的角度还可以细分为新生代（Eden区,From Survior区和To Survior区） 和老年代。

       
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     • 新生区的MinorGC过程（复制-> 清空-> 互换）
       1. eden、Survivor From 复制到Survivor To ,年龄 + 1
          • 首先，当Eden区满的时候会触发第一次GC,把还活着的对象拷贝到SurvivorFrom区，当Eden在次触发GC的时候会扫描Eden区和From区域，对这两个区域进行垃圾回收，经过这次回收后存活的对象，则直接复制到To区域（如果有对象的年龄已经达到了老年的标准，则复制到老年区），同时把这些对象的年龄+1。
       2. 清空Eden SurvivorFrom
          • 然后，清空Eden 和 SurvivorFrom 中的对象，也即复制之后有交换，谁空谁是To。
       3. SurvivorTo 和 SurvivorFrom 互换。
          • 最后，SurvivorTo和SurvivorFrom 互换，原SurvivorTo成为下一次SurvivorFrom区。部分对象会在From和To区域中复制来复制去，如果交换15次（由JVM参数MaxTenuringThreshold决定，这个参数默认是15），最终如果还存活，就存入老年代。
• Sun HotSpot内存管理

  1. 分代管理

     
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  2. 为什么呢？
     • 因为不同的对象的生命周期不同，98%的对象是临时对象。

栈、堆、方法区的交互关系

• HotSpot是使用指针的方式来访问对象：Java堆中会存放类元数据的地址，reference 存储的就直接是对象的地址。

JVM 参数调优

• 先让我们看看JDK7和JDK8 的区别

  
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• JDK8 以后将最初的永久代取消了，由元空间取代。

  
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  1. Java8中，永久代已经被移除，被一个称为元空间的区域所取代，元空间的本质和永久带类似。
  2. 元空间与永久代之间最大的区别在于：永久带使用JVM的堆内存，但是Java8以后元空间并不在虚拟机中而是使用本机物理内存。
  3. 因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入native memory,字符串池使用和类的静态变量放入java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermsize 控制，而由系统的实际可用空间来控制。
• 堆内存调优

//查看堆大小
//返回 Java     虚拟机试图使用的最大内存量。
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() ;
//返回 Java 虚拟机中的内存总量。
long totalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() ;
System.out.println("MAX_MEMORY = " + maxMemory + "（字节）、" + (maxMemory / (double)1024 / 1024) + "MB");
System.out.println("TOTAL_MEMORY = " + totalMemory + "（字节）、" + (totalMemory / (double)1024 / 1024) + "MB");

 1. Xms 设置初始分配大小，默认为物理内存的1/64.
 2. Xmx 最大分配大小，默认为物理内存的 1/4.
 3. XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志。

• 详细GC收集日志

  
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• GC 是什么 ？
  1. 次数上频繁收集Young 区
  2. 次数上较少收集Old区
  3. 基本不动元空间

• GC 回收算法

  
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  1. JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的区域又分为两种，一种时普通GC(minor GC)，一种是全局GC(magor GC 或 Full GC)
  2. Minor GC 和 Full GC的区别
     • 普通GC(Minor GC):只针对新生代区域的GC，指发生在新生代的垃圾收集动作，因为大多数Java对象存活率不高，所以Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
     • 全局GC(Major GC 或者 Full GC): 指发生在老年代的垃圾收集动作，出现了Major GC ,经常会伴随至少一次的Minor GC (但并不是绝对的).Major GC的速度要比Minor GC 上慢上10倍以上。
  3. 四大回收算法

     • 引用计数法（一般基本不采用这种方式）

       
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       • 缺点： 每次对对象赋值时均要维护引用计数器，且计数器本身也有一定的消耗：教难处理循环引用。
     • 复制算法
       • 年轻代中使用的Minor GC,这种GC算法采用的复制算法（Copying）
       • HotSpot JVM 把年轻代分为三部分：一个Eden区和两个Survivor区(分别叫 From To) 。默认比例为8：1：1，一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区（一些对象特殊处理），这些对象经过 第一次Minor GC 后，如果仍然存货，将会被移动到Survivor区。对象在Survivor区中每傲过一次Minor GC ,年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会移动到老年代中。因为年轻代中的对象基本都是很快就会死的（90%以上），所以在年轻代的垃圾回收算法使用的复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。
       • 优点：复制算法不会产生内存碎片。
       • 缺点：它浪费了一半的内存，这太要命了。如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。 所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

       • 原理： 从根集合（GC Root )开始，通过Tracing从From中找到存活对象拷贝到To中;From和To交换身份，下次内存分配从To开始；

         
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       • 在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

         
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     • 标记清楚算法（Mark-Sweep）

       • 老年代一般是由标记清楚或者标记清楚于标记压缩（标记整理）的混合实现。

       • 算法分成标记和清楚两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象，

         
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       • 标记清楚算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将要回收的对象标记一遍，最后统一回收这些对象，完成标记清理工作接下来便让应用程序恢复运行。

       • 主要运行两项工作，第一项则是标记，第二则是清楚。

         • 标记：从引用跟节点开始标记遍历所有的GC Roots ,先标记出要回收的对象。
         • 清楚：遍历整个堆，把标记的对象清楚。
         • 缺点：此算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片。

     • 标记压缩（Mark-Compact）

       
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       • 整理压缩阶段，不再对标记的对象做回收，而是通过所有存活的对象都向一端移动，然后直接清楚边界以外的内存。可以看到，标记的存货对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉，如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。
       • 标记/清理算法不仅可以弥补/标记清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。
       • 缺点：标记整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上看，标记/整理算法要低于复制算法。
  4. GC 算法总结
     • 内存效率：复制算法>标记清楚算法>标记整理算法
     • 内存整齐度：复制算法=标记整理算法>标记清楚算法
     • 内存利用率：标记整理算法=标记清楚算法>复制算法
     • 可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记/整理算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记/清除多了一个整理内存的过程
     • 难道就没有一种最优算法吗？没有的，没有最好的，只有最适合的算法。=======> 分代收集算法。
     • 年轻代（Young Gen）
       1. 年轻代特点是区域相对老年代较小，对像存活率低。这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对像大小有关，因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。
     • 老年代（Tenure Gen）
       1. 老年代的特点是区域较大，对像存活率高。这种情况，存在大量存活率高的对像，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。
       2. 标记（Mark）阶段的开销与存活对像的数量成正比，这点上说来，对于老年代，标记清除或者标记整理有一些不符，但可以通过多核/线程利用，对并发、并行的形式提标记效率。
       3. Compact阶段的开销与存活对像的数据成开比，如上一条所描述，对于大量对像的移动是很大开销的，做为老年代的第一选择并不合适。
       4. 基于上面的考虑，老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以hotspot中的CMS(Compact-Mark-Sweep)回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对像的回收效率很高，而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

JMM 内存模型

• JMM(Java内存模型Java Memory Model)本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规划通过规范定制了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式，JMM关于同步规定：
  1. 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存。
  2. 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  3. 加锁解锁是同一把锁。

• 由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方成为栈空间),工作内存是每个线程的私有数据区域,而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存,主内存是共享内存区域,所有线程都可访问,但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行,首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作空间,然后对变量进行操作,操作完成再将变量写回主内存,不能直接操作主内存中的变量,各个线程中的工作内存储存着主内存中的变量副本拷贝,因此不同的线程无法访问对方的工作内存,此案成间的通讯(传值) 必须通过主内存来完成,其简要访问过程如下图:

  
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