[Java知识库]JVM高频面试题

JVM高频面试题

一、JVM 的内存模型

1.功能区(绿色)

• 类加载器：文件系统加载 class文件
• 垃圾回收器：对方法区，Java堆，直接内存进行垃圾回收
• 字节码执行引擎：将 JVM 可识别的字节码转换为操作系统可识别的机器码

2.线程私有区(蓝色)

• Java栈：创建线程的时候栈被创建
• 本地方法栈：用于本地方法调用
• PC寄存器：指向 JVM 下一条执行指令的地址

3.线程共享区(橙色)

• 方法区：存放类的方法代码、变量名、方法名、访问权限、返回值等
• 堆：用于存放实例对象
• 直接内存：指的是直接去内存条申请内存，而不是在JVM内存中申请，一般用于 NIO

二、栈内存结构

1. 栈的概念：每创建一个线程就会创建一个栈，每一个栈有多个栈帧和一个 PC 程序计数器
2. 栈帧存储的数据
   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。
3. 栈帧的工作原理：每执行一个方法都会产生一个栈帧，保存到栈的顶部，顶部栈就是当前方法，该方法执行完毕后会自动将此栈帧出栈。
4. 栈溢出异常(StackOverflowError)：方法每一次调用都会在栈空间中申请一个栈帧，来保存本次方法执行时所需要用到的数据。但是一个没有退出机制的递归调用，会不断申请新的空间，而又不释放空间，这样就会把当前线程在栈内存中的空间耗尽。

三、堆内存结构

• Eden space 区：主要是生命周期很短的对象来来往往
• 老年代：主要是生命周期很长的对象，例如：IOC容器对象、线程池对象、数据库连接池对象等等
• 幸存者区：为二者之间的过渡地带

堆空间工作机制：

1. 新创建的对象会被放在 Eden space 区

2. 当 Eden space 区中已使用的空间达到一定比例，会触发 Minor GC

3. 每一次在 Minor GC中没有被清理掉的对象就成了幸存者

4. 幸存者对象会被转移到幸存者区

5. 幸存者区分成 from(s0) 区和 to(s1) 区，from区快满的时候，会将仍然在使用的对象转移到to区
   然后from和to这两个指针彼此交换位置，口诀：复制必交换，谁空谁为to

6. 年轻代对象转移到老年代的三种情况

   1. 如果一个对象，经历15次GC仍然幸存，那么它将会被转移到老年代
   2. 如果幸存者区已经满了，即使某个对象尚不到15岁，仍然会被移动到老年代
   3. 当一个对象过大，超过指定的大小的时候，也会跑到老年代

7. 老年代的内存空间也要不足是会触发 Full GC 整体清理内存

堆溢出异常(OutOfMemoryError)：

1. 堆溢出异常，针对新生代、老年代整体进行Full GC后，内存空间还是放不下新产生的对象
2. 元空间异常，方法区中加载的类太多了（典型情况是框架创建的动态类太多，导致方法区溢出）
3. 栈溢出异常，可能导致 OutOfMemory (申请栈空间不足时)

四、方法区内存结构

本地内存、直接内存、JVM内存三者之间的关系

方法区的作用：存的是静态变量、类信息、常量

不同版本的方法区结构

• 1.6版本：由永久代(PermGen)实现，方法区的内存是向 JVM 申请的，串池在常量池中
• 1.8版本：由元空间(Metaspace)实现，方法区逻辑上属于JVM管理，元空间实际在本地内存中，内存是向内存条申请的，串池在堆中

五、双亲委派机制

1.类加载器的分类

• Bootstrap ClassLoader:启动引导类加载器
• Extension ClassLoader:拓展类加载器
• App|System ClassLoader: 应用(系统)类加载器
• User-Defined ClassLoader: 用户自定义类加载器

2.含义

• 当某个类加载器需要加载某个.class文件时，它首先把这个任务委托给他的上级类加载器，递归这个操作，如果上级的类加载器没有加载，自己才会去加载这个类

3.工作流程

• 当我们需要加载任何一个范围内的类时，首先找到这个范围对应的类加载器
• 但是当前这个类加载器不是马上开始查找，当前类加载器会将任务交给上一级类加载器
• 上一级类加载器继续上交任务，一直到最顶级的启动类加载器
• 启动类加载器开始在自己负责的范围内查找
• 如果能找到，则直接开始加载
• 如果找不到，则交给下一级的类加载器继续查找，一直到应用程序类加载器
• 如果应用程序类加载器同样找不到要加载的类，那么会抛出 ClassNotFoundException

4.作用

• 避免类的重复加载：父加载器加载了一个类，就不必让子加载器再去查找了。同时也保证了在整个 JVM 范围内全类名是类的唯一标识。
• 安全机制：避免恶意替换 JRE 定义的核心 API

六、谈谈你对 GCRoots (可达性分析)的理解

• 核心原理：判断一个对象，是否存在从『堆外』到『堆内』的引用。
• GC Root 对象：就是从根节点出发，顺着引用路径一路查找到堆空间内，找到堆空间中的对象。
• Java 栈中的局部变量、本地方法栈中的局部变量、方法区中的类变量、常量

七、四大引用

1. 强引用(Reference)：只有所有 GC Roots 对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收，否则死都不收
2. 软引用（SoftReference）：为了降低 OOM 发生的概率，内存够用就保留，不够用就回收(比如高速缓存)
3. 弱引用（WeakReference）：无论内存是否充足，只要有 GC，一律回收
4. 虚引用（PhantomReference）：在任何时候都有可能被 GC 回收，必须配合引用队列使用，主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态，当一个对象已经进入 finalization 阶段可以被回收时，可以实现比 finalization 机制更灵活的回收操作

八、垃圾回收算法

1、基本算法：引用计数法

• 通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数。如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加一，如果删除对该对象的引用，那么它的引用计数就减一，当该对象的引用计数为0时，那么该对象就会被回收。
• 回收时不移动对象, 所以会造成内存碎片问题，不能解决对象间的循环引用问题

2、基本算法：标记清除法

• 当堆中的有效内存空间被耗尽的时候，就会暂停、挂起整个程序（也被称为stop the world），然后从根对象开始遍历所有的对象，将所有存活的对象标记为可达的对象，再将没有标记的对象全部清除掉。
• 实现简单，但是效率低，会造成内存碎片问题，会造成应用程序暂停

3、基本算法：标记压缩法

• 与标记清除法相比，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象移动到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。
• 解决了碎片化的问题，效率更低

4、基本算法：复制算法

• 复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，并依次排列，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。
• 解决了碎片化的问题，新生代效率较高，老年代效率较差，浪费了一半的内存空间

5、综合算法：分代算法

• 分代收集算法是将对象的生命周期按长短划分为两个部分
• 新生代适合使用复制算法
• 老年代适合使用标记清除或标记压缩算法

6、综合算法：分区算法

• 分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间，每个小区间独立使用，独立回收。这样做的好处是可以控制一次回收多少个小区间。
• 在相同条件下，堆空间越大。一次GC耗时就越长，从而产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割为多个小块，根据目标停顿时间每次合理地回收若干个小区间(而不是整个堆)，从而减少一次GC所产生的停顿。

九、常用的 JVM 参数