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Java面试知识点总结④——Java虚拟机

分类: 文章 • 2022-10-23 00:29:26

大纲

  • [x] 一、Java基础(语言、集合框架、OOP、设计模式等)
  • [x] 二、Java高级(JavaEE、框架、服务器、工具等)
  • [x] 三、多线程和并发
  • [x] 四、Java虚拟机
  • [x] 五、数据库(Sql、MySQL、Redis等)
  • [x] 六、算法与数据结构
  • [x] 七、计算机网络
  • [x] 八、操作系统(OS基础、Linux等)
  • [x] 九、其他

四、Java虚拟机

0. 对哪些区域回收

Java运行时数据区域：程序计数器、JVM栈、本地方法栈、方法区和堆。

由于程序计数器、JVM栈、本地方法栈3个区域随线程而生随线程而灭，对这几个区域内存的回收和分配具有确定性。而方法区和堆则不一样，程序需要在运行时才知道创建哪些对象，对这部分内存的分配是动态的，GC关注的也就是这部分内存。

1. 主动GC

调用system.gc() Runtime.getRuntime.gc()

2. 垃圾回收

释放那些不在持有任何引用的对象的内存

3. 怎样判断是否需要收集

  • 引用计数法：对象没有任何引用与之关联(无法解决循环引用)

ext：Python使用引用计数法

  • 可达性分析法：通过一组称为GC Root的对象为起点,从这些节点向下搜索，如果某对象不能从这些根对象的一个(至少一个)所到达,则判定该对象应当回收。

ext：可作为GCRoot的对象：虚拟机栈中引用的对象。方法区中类静态属性引用的对象，方法区中类常量引用的对象，本地方法栈中JNI引用的对象

4.对象的自我救赎

即使在可达性算法中判定为不可达时，也并非一定被回收。对象存在自我救赎的可能。要真正宣告对象的死亡，需要经历2次标记的过程。如果对象经过可达性分析法发现不可达时，对象将被第一次标记被进行筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize方法。如果对象没有重写finalize方法或finalize方法已经被JVM调用过，则判定为不需要执行。

如果对象被判定为需要执行finalize方法，该对象将被放置在一个叫做F-Queue的队列中，JVM会建立一个低优先级的线程执行finalize方法，如果对象想要完成自我救赎需要在finalize方法中与引用链上的对象关联，比如把自己也就是this赋值给某个类变量。当GC第二次对F-Queue中对象标记时，该对象将被移出“即将回收”的集合，完成自我救赎。简言之，finalize方法是对象逃脱死亡命运的最后机会，并且任何对象的finalize方法只会被JVM调用一次。

5.垃圾回收算法

Mark-Sweep法：标记清除法 容易产生内存碎片，导致分配较大对象时没有足够的连续内存空间而提前出发GC。这里涉及到另一个问题，即对象创建时的内存分配，对象创建内存分配主要有2种方法，分别是指针碰撞法和空闲列表法。指针碰撞法：使用的内存在一侧，空闲的在另一侧，中间使用一个指针作为分界点指示器，对象内存分配时只要指针向空闲的移动对象大小的距离即可。空闲列表法：使用的和空闲的内存相互交错无法进行指针碰撞，JVM必须维护一个列表记录哪些内存块可用，分配时从列表中找出一个足够的分配给对象，并更新列表记录。所以，当采用Mark-Sweep算法的垃圾回收器时，内存分配通常采用空闲列表法。

Copy法：将内存分为2块，每次使用其中的一块，当一块满了，将存活的对象复制到另一块，把使用过的那一块一次性清除。显然，Copy法解决了内存碎片的问题，但算法的代价是内存缩小为原来的一半。现代的垃圾收集器对新生代采用的正是Copy算法。但通常不执行1:1的策略，HotSpot虚拟机默认Eden区Survivor区8:1。每次使用Eden和其中一块Survivor区。也就是说新生代可用内存为新生代内存空间的90%。

Mark-Compact法：标记整理法。它的第一阶段与Mark-Sweep法一样，但不直接清除，而是将存活对象向一端移动，然后清除端边界以外的内存，这样也不存在内存碎片。

分代收集算法：将堆内存划分为新生代，老年代，根据新生代老年代的特点选取不同的收集算法。因为新生代对象大多朝生夕死，而老年代对象存活率高，没有额外空间进行分配担保，通常对新生代执行复制算法，老年代执行Mark-Sweep算法或Mark-Compact算法。

6.垃圾收集器

通常来说，新生代老年代使用不同的垃圾收集器。新生代的垃圾收集器有Serial（单线程）、ParNew（Serial的多线程版本）、ParallelScavenge（吞吐量优先的垃圾收集器），老年代有SerialOld（单线程老年代）、ParallelOld（与ParallelScavenge搭配的多线程执行标记整理算法的老年代收集器）、CMS（标记清除算法，容易产生内存碎片，可以开启内存整理的参数），以及当前最先进的垃圾收集器G1，G1通常面向服务器端的垃圾收集器，在我自己的Java应用程序中通过-XX: PrintGCDetails，发现自己的垃圾收集器是使用了ParallelScavenge ParallelOld的组合。

7. 不同垃圾回收算法对比

  • 标记清除法(Mark-Sweeping):易产生内存碎片
  • 复制回收法(Copying)：为了解决Mark-Sweep法而提出,内存空间减至一半
  • 标记压缩法(Mark-Compact):为了解决Copying法的缺陷,标记后移动到一端再清除
  • 分代回收法(GenerationalCollection):新生代对象存活周期短,需要大量回收对象,需要复制的少,执行copy算法;老年代对象存活周期相对长,回收少量对象,执行mark-compact算法.新生代划分：较大的eden区 和 2个survivor区

8. 内存分配

  • 新生代的三部分 |Eden Space|From Space|To Space|，对象主要分配在新生代的Eden区
  • 大对象直接进入老年代
    大对象比如大数组直接进入老年代，可通过虚拟机参数-XX：PretenureSizeThreshold参数设置
  • 长期存活的对象进入老年代
    ext：虚拟机为每个对象定义一个年龄计数器，如果对象在Eden区出生并经过一次MinorGC仍然存活，将其移入Survivor的To区，GC完成标记互换后，相当于存活的对象进入From区，对象年龄加1，当增加到默认15岁时，晋升老年代。可通过-XX：MaxTenuringThreshold设置
  • GC的过程：GC开始前，对象只存在于Eden区和From区，To区逻辑上始终为空。对象分配在Eden区，Eden区空间不足，发起MinorGC，将Eden区所有存活的对象复制到To区，From区存活的对象根据年龄判断去向，若到达年龄阈值移入老年代，否则也移入To区，GC完成后Eden区和From区被清空，From区和To区标记互换。对象每在Survivor区躲过一次MinorGC年龄加一。MinorGC将重复这样的过程，直到To区被填满，To区满了以后，将把所有对象移入老年代。
  • 动态对象年龄判定 suvivor区相同年龄对象总和大于suvivor区空间的一半,年龄大于等于该值的对象直接进入老年代
  • 空间分配担保 在MinorGC开始前，虚拟机检查老年代最大可用连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果成立，MinorGC可以确保是安全的。否则，虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败，如果允许，继续查看老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于则尝试MinorGC，尽管这次MinorGC是有风险的。如果小于，或者HandlerPromotionFailure设置不允许，则要改为FullGC。
  • 新生代的回收称为MinorGC,对老年代的回收成为MajorGC又名FullGC

9. 关于GC的虚拟机参数

GC相关

-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize 新生代大小-XX:SurvivorRatio Eden和其中一个survivor的比值-XX：PretenureSizeThreshold 大对象进入老年代的阈值-XX:MaxTenuringThreshold 晋升老年代的对象年龄

收集器组合开关选项：-XX: UseSerialGC Serial SerialOld-XX: UseParNewGC ParNew SerialOld-XX: UseParallelGC ParallelScavenge SerialOld-XX: UseConcMarkSweepGC ParNew CMS SerialOld-XX: UseParallelOldGC ParallelScavenge Parallel Old

堆大小设置

-Xmx:最大堆大小-Xms:初始堆大小(最小内存值)-Xmn:年轻代大小-XXSurvivorRatio:3 意思是Eden:Survivor=3:2-Xss栈容量

垃圾回收统计信息

-XX: PrintGC 输出GC日志-XX: PrintGCDetails 输出GC的详细日志

10. 方法区的回收

方法区通常会与永久代划等号，实际上二者并不等价，只不过是HotSpot虚拟机设计者用永久代实现方法区，并将GC分代扩展至方法区。永久代垃圾回收通常包括两部分内容：废弃常量和无用的类。常量的回收与堆区对象的回收类似，当没有其他地方引用该字面量时，如果有必要，将被清理出常量池。

判定无用的类的3个条件：

1.该类的所有实例都已经被回收，也就是说堆中不存在该类的任何实例

2.加载该类的ClassLoader已经被回收

3.该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

当然，这也仅仅是判定，不代表立即卸载该类。

11. JVM工具

命令行

  1. jps(jvm processor status)虚拟机进程状况工具
  2. jstat(jvm statistics monitoring)统计信息监视
  3. jinfo(configuration info for java)配置信息工具
  4. jmap(memory map for java)Java内存映射工具
  5. jhat(JVM Heap Analysis Tool)虚拟机堆转储快照分析工具
  6. jstack(Stack Trace for Java)Java堆栈跟踪工具
  7. HSDIS：JIT生成代码反汇编

可视化

  1. JConsole(Java Monitoring and Management Console):Java监视与管理控制台
  2. VisualVM(All-in-one Java Troubleshooting Tool):多合一故障处理工具

12. JVM内存结构

  1. 堆:新生代和年老代
  2. 方法区(非堆):持久代, 代码缓存, 线程共享
  3. JVM栈:中间结果,局部变量,线程隔离
  4. 本地栈:本地方法(非Java代码)
  5. 程序计数器 ：线程私有，每个线程都有自己独立的程序计数器，用来指示下一条指令的地址
  6. 注：持久代Java8消失, 取代的称为元空间(本地堆内存的一部分)

13. JVM的方法区

与堆一样，是线程共享的区域。方法区中存储：被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，JIT编译后的代码等数据。参见我是一个Java Class。

14. Java类加载器

一个jvm中默认的classloader有Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、App ClassLoader，分别各司其职：

  1. Bootstrap ClassLoader(引导类加载器) 负责加载java基础类，主要是 %JRE_HOME/lib/目录下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar等
  2. Extension ClassLoader(扩展类加载器) 负责加载java扩展类，主要是 %JRE_HOME/lib/ext目录下的jar等
  3. App ClassLoader(系统类加载器) 负责加载当前java应用的classpath中的所有类。
    classloader 加载类用的是全盘负责委托机制。 所谓全盘负责，即是当一个classloader加载一个Class的时候，这个Class所依赖的和引用的所有 Class也由这个classloader负责载入，除非是显式的使用另外一个classloader载入。
    所以，当我们自定义的classloader加载成功了com.company.MyClass以后，MyClass里所有依赖的class都由这个classLoader来加载完成。

15. 64 位 JVM 中，int 的长度是多大？

Java 中，int 类型变量的长度是一个固定值，与平台无关，都是 32 位。意思就是说，在 32 位 和 64 位 的Java 虚拟机中，int 类型的长度是相同的。

16. Serial 与 Parallel GC之间的不同之处？

Serial 与 Parallel 在GC执行的时候都会引起 stop-the-world。它们之间主要不同 serial 收集器是默认的复制收集器，执行 GC 的时候只有一个线程，而 parallel 收集器使用多个 GC 线程来执行。

17.Java 中 WeakReference 与 SoftReference的区别？

Java中一共有四种类型的引用。StrongReference、 SoftReference、 WeakReference 以及 PhantomReference。

StrongReference：Java 的默认引用实现, 它会尽可能长时间的存活于 JVM 内，当没有任何对象指向它时将会被GC回收

SoftReference：尽可能长时间保留引用，直到JVM内存不足，适合某些缓存应用

WeakReference：顾名思义, 是一个弱引用, 当所引用的对象在 JVM 内不再有强引用时, 下一次将被GC回收

PhantomReference：它是最弱的一种引用关系，也无法通过PhantomReference取得对象的实例。仅用来当该对象被回收时收到一个通知

虽然 WeakReference 与 SoftReference 都有利于提高 GC 和 内存的效率，但是 WeakReference ，一旦失去最后一个强引用，就会被 GC 回收，而 SoftReference 会尽可能长的保留引用直到 JVM 内存不足时才会被回收(虚拟机保证), 这一特性使得 SoftReference 非常适合缓存应用。

18. WeakHashMap 是怎么工作的？

WeakHashMap 的工作与正常的 HashMap 类似，但是使用弱引用作为 key，意思就是当 key 对象没有任何引用时，key/value 将会被回收。

19. JVM 选项 -XX: UseCompressedOops 有什么作用？为什么要使用？

当你将你的应用从 32 位的 JVM 迁移到 64 位的 JVM 时，由于对象的指针从 32 位增加到了 64 位，因此堆内存会突然增加，差不多要翻倍。这也会对 CPU 缓存（容量比内存小很多）的数据产生不利的影响。因为，迁移到 64 位的 JVM 主要动机在于可以指定最大堆大小，通过压缩 OOP 可以节省一定的内存。通过 -XX: UseCompressedOops 选项，JVM 会使用 32 位的 OOP，而不是 64 位的 OOP。

20. 怎样通过 Java 程序来判断 JVM 是 32 位 还是 64 位？

你可以检查某些系统属性如 sun.arch.data.model 或 os.arch 来获取该信息。

21. 32 位 JVM 和 64 位 JVM 的最大堆内存分别是多数？

理论上说上 32 位的 JVM 堆内存可以到达 2^32，即 4GB，但实际上会比这个小很多。不同操作系统之间不同，如 Windows 系统大约 1.5 GB，Solaris 大约 3GB。64 位 JVM允许指定最大的堆内存，理论上可以达到 2^64，这是一个非常大的数字，实际上你可以指定堆内存大小到 100GB。甚至有的 JVM，如 Azul，堆内存到 1000G 都是可能的。

22. JRE、JDK、JVM 及 JIT 之间有什么不同？

JRE 代表 Java 运行时（Java run-time），是运行 Java 应用所必须的。JDK 代表 Java 开发工具（Java development kit），是 Java 程序的开发工具，如 Java 编译器，它也包含 JRE。JVM 代表 Java 虚拟机（Java virtual machine），它的责任是运行 Java 应用。JIT 代表即时编译（Just In Time compilation），当代码执行的次数超过一定的阈值时，会将 Java 字节码转换为本地代码，如，主要的热点代码会被准换为本地代码，这样有利大幅度提高 Java 应用的性能。

Java面试知识点总结④——Java虚拟机

23. 解释 Java 堆空间及 GC？

当通过 Java 命令启动 Java 进程的时候，会为它分配内存。内存的一部分用于创建堆空间，当程序中创建对象的时候，就从对空间中分配内存。GC 是 JVM 内部的一个后台进程，回收无效对象的内存用于将来的分配。

24. 你能保证 GC 执行吗？

不能，虽然你可以调用 System.gc() 或者 Runtime.getRuntime().gc()，但是没有办法保证 GC 的执行。

25. 怎么获取 Java 程序使用的内存？堆使用的百分比？

可以通过 java.lang.Runtime 类中与内存相关方法来获取剩余的内存，总内存及最大堆内存。通过这些方法你也可以获取到堆使用的百分比及堆内存的剩余空间。Runtime.freeMemory() 方法返回剩余空间的字节数，Runtime.totalMemory() 方法总内存的字节数，Runtime.maxMemory() 返回最大内存的字节数。

26. Java 中堆和栈有什么区别？

JVM 中堆和栈属于不同的内存区域，使用目的也不同。栈常用于保存方法帧和局部变量，而对象总是在堆上分配。栈通常都比堆小，也不会在多个线程之间共享，而堆被整个 JVM 的所有线程共享。

27. JVM调优

使用工具Jconsol、VisualVM、JProfiler等

堆信息查看

可查看堆空间大小分配（年轻代、年老代、持久代分配）提供即时的垃圾回收功能垃圾监控（长时间监控回收情况）

查看堆内类、对象信息查看：数量、类型等

对象引用情况查看

有了堆信息查看方面的功能，我们一般可以顺利解决以下问题：

年老代年轻代大小划分是否合理内存泄漏垃圾回收算法设置是否合理

线程监控

线程信息监控：系统线程数量。线程状态监控：各个线程都处在什么样的状态下

Dump线程详细信息：查看线程内部运行情况死锁检查

热点分析

CPU热点：检查系统哪些方法占用的大量CPU时间内存热点：检查哪些对象在系统中数量最大（一定时间内存活对象和销毁对象一起统计）

快照

系统两个不同运行时刻，对象（或类、线程等）的不同

举例说，我要检查系统进行垃圾回收以后，是否还有该收回的对象被遗漏下来的了。那么，我可以在进行垃圾回收前后，分别进行一次堆情况的快照，然后对比两次快照的对象情况。

内存泄漏检查

年老代堆空间被占满

持久代被占满

堆栈溢出

线程堆栈满

系统内存被占满

28. Java中有内存泄漏吗？

内存泄露的定义: 当某些对象不再被应用程序所使用,但是由于仍然被引用而导致垃圾收集器不能释放。

内存泄漏的原因：对象的生命周期不同。比如说对象A引用了对象B. A的生命周期比B的要长得多，当对象B在应用程序中不会再被使用以后, 对象 A 仍然持有着B的引用. (根据虚拟机规范)在这种情况下GC不能将B从内存中释放。这种情况很可能会引起内存问题，倘若A还持有着其他对象的引用,那么这些被引用的(无用)对象也不会被回收,并占用着内存空间。甚至有可能B也持有一大堆其他对象的引用。这些对象由于被B所引用,也不会被垃圾收集器所回收，所有这些无用的对象将消耗大量宝贵的内存空间。并可能导致内存泄漏。

怎样防止：

1、当心集合类, 比如HashMap, ArrayList等,因为这是最容易发生内存泄露的地方.当集合对象被声明为static时,他们的生命周期一般和整个应用程序一样长。

29. OOM解决办法

内存溢出的空间：Permanent Generation和Heap Space，也就是永久代和堆区

1、永久代的OOM

解决办法有2种：

a.通过虚拟机参数-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize调整永久代大小

b.清理程序中的重复的Jar文件，减少类的重复加载

2、堆区的溢出

发生这种问题的原因是java虚拟机创建的对象太多，在进行垃圾回收之间，虚拟机分配的到堆内存空间已经用满了，与Heap Space的size有关。解决这类问题有两种思路：

  1. 检查程序，看是否存在死循环或不必要地重复创建大量对象，定位原因，修改程序和算法。
  2. 通过虚拟机参数-Xms和-Xmx设置初始堆和最大堆的大小

30. DirectMemory直接内存

直接内存并不是Java虚拟机规范定义的内存区域的一部分，但是这部分内存也被频繁使用，而且也可能导致OOM异常的出现。

JDK1.4引入了NIO，这是一种基于通道和缓冲区的非阻塞IO模式，它可以使用Native函数库分配直接堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，使得在某些场合显著提高性能，因为它避免了在Java堆和本地堆之间来回复制数据。

31. Java 中堆和栈有什么不同

每个线程都有自己的栈内存，用于存储本地变量，方法参数和栈调用，一个线程中存储的变量对其它线程是不可见的。而堆是所有线程共享的一片公用内存区域。对象都在堆里创建，为了提升效率线程会从堆中弄一个缓存到自己的栈，如果多个线程使用该变量就可能引发问题，这时 volatile 变量就可以发挥作用了，它要求线程从主存中读取变量的值。

32. 双亲委派模型中的方法

findLoadedClass(),LoadClass(),findBootstrapClassOrNull(),findClass(),resolveClass()

33. IO模型

一般来说 I/O 模型可以分为：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞 四种IO模型

同步阻塞 IO ：在此种方式下，用户进程在发起一个 IO 操作以后，必须等待 IO 操作的完成，只有当真正完成了 IO 操作以后，用户进程才能运行。 JAVA传统的 IO 模型属于此种方式！

同步非阻塞 IO:在此种方式下，用户进程发起一个 IO 操作以后可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问 IO 操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的 CPU 资源浪费。其中目前 JAVA 的 NIO 就属于同步非阻塞 IO 。

异步阻塞 IO ：此种方式下是指应用发起一个 IO 操作以后，不等待内核 IO 操作的完成，等内核完成 IO 操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问 IO 是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过 select 系统调用来完成的，而 select 函数本身的实现方式是阻塞的，而采用 select 函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

异步非阻塞 IO:在此种模式下，用户进程只需要发起一个 IO 操作然后立即返回，等 IO 操作真正的完成以后，应用程序会得到 IO 操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的 IO 读写操作，因为 真正的 IO读取或者写入操作已经由 内核完成了。目前 Java7的AIO正是此种类型。

BIO即同步阻塞IO，适用于连接数目较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4之前的唯一选择，但程序直观、简单、易理解。

NIO即同步非阻塞IO，适用于连接数目多且连接比较短的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。

AIO即异步非阻塞IO，适用于连接数目多且连接比较长的架构，如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK1.7开始支持

34. 类加载器按照层次，从顶层到底层，分别加载哪些类？

启动类加载器：负责将存放在JAVA_HOME/lib下的，或者被－Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

扩展类加载器：这个加载器负责加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器

应用程序类加载器：这个加载器是ClassLoader中getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（Classpath）上所指定的类库，可直接使用这个加载器，如果应用程序没有自定义自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

实现自己的加载器

只需要继承ClassLoader，并覆盖findClass方法。在调用loadClass方法时，会先根据委派模型在父加载器中加载，如果加载失败，则会调用自己的findClass方法来完成加载。

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