Java高级工程师常见面试题（四）-JVM

博主其他相关文章：《Java高级工程师常见面试题-总结》

1. Java的内存模型以及GC算法

1.JVM内存模型

1.1程序计数器

  程序计数器是众多编程语言都共有的一部分，作用是标示下一条需要执行的指令的位置，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器完成的。

  对于Java的多线程程序而言，不同的线程都是通过轮流获得cpu的时间片运行的，这符合计算机组成原理的基本概念，因此不同的线程之间需要不停的获得运行，挂起等待运行，所以各线程之间的计数器互不影响，独立存储。这些数据区属于线程私有的内存。

1.2 Java虚拟机栈

  VM虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法调用直至执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

  有人将java内存区域划分为栈与堆两部分，在这种粗略的划分下，栈标示的就是当前讲的虚拟机栈，或者是虚拟机栈对应的局部变量表。之所以说这种划分比较粗略是角度不同，这种划分方法关心的是新申请内存的存在空间，而我们目前谈论的是JVM整体的内存划分，由于角度不同，所以划分的方法不同，没有对与错。

  局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型，对象引用，和returnAddress。其中64位长的long和double占用了2个局部变量空间(slot)，其他类型都占用1个。这也从存储的角度上说明了long与double本质上的非原子性。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。

  由于栈帧的进出栈，显而易见的带来了空间分配上的问题。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；如果虚拟机栈可以扩展，扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError。显然，这种情况大多数是由于循环调用与递归带来的。

1.3 本地方法栈

  本地方法栈与虚拟机栈的作用十分类似，不过本地方法是为native方法服务的。部分虚拟机（比如 Sun HotSpot虚拟机）直接将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StactOverFlowError与OutOfMemoryError异常。

  至此，线程私有数据区域结束，下面开始线程共享数据区。

1.4 Java堆

  Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，此块内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在堆上分配内存。JVM规范中的描述是：所有的对象实例以及数据都要在堆上分配。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配(对象只存在于某方法中，不会逃逸出去，因此方法出栈后就会销毁，此时对象可以在栈上分配，方便销毁)，标量替换(新对象拥有的属性可以由现有对象替换拼凑而成，就没必要真正生成这个对象)等优化技术带来了一些变化，目前并非所有的对象都在堆上分配了。

  当java堆上没有内存完成实例分配，并且堆大小也无法扩展是，将会抛出OutOfMemoryError异常。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。

1.5 方法区

  方法区与java堆一样，是线程共享的数据区，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码。JVM规范将方法与堆区分开，但是HotSpot将方法区作为永久代(Permanent Generation)实现。这样方便将GC分代收集方法扩展至方法区，HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理方法区。但是这种方向已经逐步在被HotSpot替换中，在JDK1.7的版本中，已经把原本存放在方法区的字符串常量区移出。

  至此，JVM规范所声明的内存模型已经分析完毕，下面将分析一些经常提到的与内存相关的区域。

1.6 运行时常量池

  运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外，还有一项信息是常量池(Constant Poll Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

  其中字符串常量池属于运行时常量池的一部分，不过在HotSpot虚拟机中，JDK1.7将字符串常量池移到了java堆中，通过下面的实验可以很容易看到。

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

/**

* Created by shining.cui on 2017/7/23.

*/

public class RunTimeContantPoolOOM {

public static void main(String[] args) {

List list = new ArrayList();

int i = 0;

while(true){

list.add(String.valueOf(i++).intern());

}

}

}

在jdk1.6中，字符串常量区是在Perm Space中的，所以可以将Perm Spacce设置的小一些，XX:MaxPermSize=10M可以很快抛出异常：java.lang.OutOfMemoryError:Perm Space。

在jdk1.7以上，字符串常量区已经移到了Java堆中，设置-Xms:64m -Xmx:64m，很快就可以抛出异常java.lang.OutOfMemoryError:java.heap.space。

1.7 直接内存

  直接内存不是JVM运行时的数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中引入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道(Chanel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java中的DirectByteBuffer对象作为对这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java对和Native对中来回复制数据。

2.GC算法

2.1 标记-清除算法

  最基础的垃圾收集算法是“标记-清除”(Mark Sweep)算法，正如名字一样，算法分为2个阶段：1.标记处需要回收的对象，2.回收被标记的对象。标记算法分为两种:1.引用计数算法(Reference Counting) 2.可达性分析算法(Reachability Analysis)。由于引用技术算法无法解决循环引用的问题，所以这里使用的标记算法均为可达性分析算法。

如图所示，当进行过标记清除算法之后，出现了大量的非连续内存。当java堆需要分配一段连续的内存给一个新对象时，发现虽然内存清理出了很多的空闲，但是仍然需要继续清理以满足“连续空间”的要求。所以说，这种方法比较基础，效率也比较低下。

2.2 复制算法

  为了解决效率与内存碎片问题，复制(Copying)算法出现了，它将内存划分为两块相等的大小，每次使用一块，当这一块用完了，就将还存活的对象复制到另外一块内存区域中，然后将当前内存空间一次性清理掉。这样的对整个半区进行回收，分配时按照顺序从内存顶端依次分配，这种实现简单，运行高效。不过这种算法将原有的内存空间减少为实际的一半，代价比较高。

从图中可以看出，整理后的内存十分规整，但是白白浪费一般的内存成本太高。然而这其实是很重要的一个收集算法，因为现在的商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%都是“朝生夕死”的，所以不需要按照1:1的比例来划分内存。HotSpot虚拟机将Java堆划分为年轻代(Young Generation)、老年代(Tenured Generation），其中年轻代又分为一块Eden和两块Survivor。

所有的新建对象都放在年轻代中，年轻代使用的GC算法就是复制算法。其中Eden与Survivor的内存大小比例为8:2，其中Eden由1大块组成，Survivor由2小块组成。每次使用内存为1Eden+1Survivor，即90%的内存。由于年轻代中的对象生命周期往往很短，所以当需要进行GC的时候就将当前90%中存活的对象复制到另外一块Survivor中，原来的Eden与Survivor将被清空。但是这就有一个问题，我们无法保证每次年轻代GC后存活的对象都不高于10%。所以在当活下来的对象高于10%的时候，这部分对象将由Tenured进行担保，即无法复制到Survivor中的对象将移动到老年代。

2.3 标记-整理算法

  复制算法在极端情况下(存活对象较多)效率变得很低，并且需要有额外的空间进行分配担保。所以在老年代中这种情况一般是不适合的。

所以就出现了标记-整理(Mark-Compact)算法。与标记清除算法一样，首先是标记对象，然而第二步是将存货的对象向内存一段移动，整理出一块较大的连续内存空间。

2.4 分代收集算法

  分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。

　　目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取复制算法（参看2.2），因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。

　　而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是标记整理（参看2.3）算法。

　　注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

2. jvm性能调优都做了什么

JVM性能调优有很多设置,这个参考JVM参数即可。

主要调优的目的：

控制GC的行为。GC是一个后台处理，但是它也是会消耗系统性能的，因此经常会根据系统运行的程序的特性来更改GC行为。

控制JVM堆栈大小。一般来说，JVM在内存分配上不需要你修改,(举例)但是当你的程序新生代对象在某个时间段产生的比较多的时候，就需要控制新生代的堆大小。同时，还要需要控制总的JVM大小避免内存溢出。

控制JVM线程的内存分配。如果是多线程程序,产生线程和线程运行所消耗的内存也是可以控制的，需要通过一定时间的观测后，配置最优结果。

3. 介绍JVM中7个区域，然后把每个区域可能造成内存的溢出的情况说明

参考：1. Java的内存模型以及GC算法 中java内存模型。

4. 介绍GC 和GC Root不正常引用。

常说的GC(Garbage Collector) roots，特指的是垃圾收集器（Garbage Collector）的对象，GC会收集那些不是GC roots且没有被GC roots引用的对象。

一个对象可以属于多个root，GC root有几下种：

• • Class - 由系统类加载器(system class loader)加载的对象，这些类是不能够被回收的，他们可以以静态字段的方式保存持有其它对象。我们需要注意的一点就是，通过用户自定义的类加载器加载的类，除非相应的java.lang.Class实例以其它的某种（或多种）方式成为roots，否则它们并不是roots，.
  • Thread - 活着的线程
  • Stack Local - Java方法的local变量或参数
  • JNI Local - JNI方法的local变量或参数
  • JNI Global - 全局JNI引用
  • Monitor Used - 用于同步的监控对象
  • Held by JVM - 用于JVM特殊目的由GC保留的对象，但实际上这个与JVM的实现是有关的。可能已知的一些类型是：系统类加载器、一些JVM知道的重要的异常类、一些用于处理异常的预分配对象以及一些自定义的类加载器等。然而，JVM并没有为这些对象提供其它的信息，因此就只有留给分析分员去确定哪些是属于"JVM持有"的了。

5. 自己从classload 加载方式，加载机制说开去，从程序运行时数据区，讲到内存分配，讲到String常量池，讲到JVM垃圾回收机制，算法，hotspot。反正就是各种扩展

略

6. jvm 如何分配直接内存， new 对象如何不分配在堆而是栈上，常量池解析

nio可以分配直接内存。

开启逃逸分析回分配在栈上。

常量池(Constant Poll Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用

7. 数组多大放在 JVM 老年代（不只是设置 PretenureSizeThreshold ，问通常多大，没做过一问便知）

略

8. 老年代中数组的访问方式

略

9. GC 算法，永久代对象如何 GC ， GC 有环怎么处理

GC 算法 参考：1；

永久代对象如何 GC：永久代空间已经满了、调用了System.gc()；注意： 这种GC是full GC 堆空间也会一并被GC一次

GC 有环怎么处理：根搜索算法

10. 谁会被 GC ，什么时候 GC

略

11. 如果想不被 GC 怎么办

略

12. 如果想在 GC 中生存 1 次怎么办

想在对象生命周期中至少被GC一次后存活，最简单的方法是重写Object的finalize()。

Finalize调用流程：GC时,当对象变成(GC Roots)不可达时，若该对象覆盖(重写)了finalize方法并且未执行过finalze方法，则将其放入F-Queue队列，由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法;否则直接将其回收。执行finalize方法完毕后，GC会再次判断该对象是否可达，若不可达，则进行回收，否则，对象“复活”。

system.gc()并不是你调用就马上执行的， 而是根据虚拟机的各种算法来来计算出执行垃圾回收的时间，另外，程序自动结束时不会执行垃圾回收的。其次：对象被回收时，要经过两次标记，第一次标记，如果finalize未被重写，或者finalize被调用过，那么垃圾回收并不会去执行finalize,否则会执行finalize方法;第二次标记，如果对象不能在finalize中成功拯救自己，那真的就要被回收了