Java开发面试指南系列-JVM (一)

1.介绍下 Java 内存区域(运⾏时数据区)

Java 虚拟机在执⾏ Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若⼲个不同的数据区域。JDK. 1.8 和之前的版本略有不同，下⾯会介绍到。

JDK 1.8之前：

JDK 1.8 ：

线程私有的：

• 程序计数器
• 虚拟机栈
• 本地⽅法栈

线程共享的：

• 堆
• 方法区
• 直接内存(⾮运⾏时数据区的⼀部分)

程序计数器

程序计数器是⼀块᫾⼩的内存空间，可以看作是当前线程所执⾏的字节码的⾏号指示器。字节码解释器⼯作时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，分⽀、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完。

另外，为了线程切换后能恢复到正确的执⾏位置，每条线程都需要有⼀个独⽴的程序计数器，各线程之间计数器互不影响，独⽴存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

从上⾯的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作⽤：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从⽽实现代码的流程控制，如：顺序执⾏、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器⽤于记录当前线程执⾏的位置，从⽽当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运⾏到哪⼉了。

注意：程序计数器是唯⼀⼀个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的⽣命周期随着线程的创建⽽创建，随着线程的结束⽽死亡。

Java 虚拟机栈

与程序计数器⼀样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的⽣命周期和线程相同，描述的是 Java ⽅法执⾏的内存模型，每次⽅法调⽤的数据都是通过栈传递的。Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存(Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 （实际上，Java虚拟机栈是由⼀个个栈帧组成，⽽每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝信息。）

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引⽤（reference类型，它不同于对象本身，可能是⼀个指向对象起始地址的引⽤指针，也可能是指向⼀个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

1. StackOverFlowError： 若Java虚拟机栈的内存⼤⼩不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最⼤深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
2. OutOfMemoryError： 若 Java 虚拟机栈的内存⼤⼩允许动态扩展，且当线程请求栈时内存⽤完了，⽆法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。

Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各⾃的Java虚拟机栈，⽽且随着线程的创建⽽创建，随着线程的死亡⽽死亡。

扩展：那么⽅法/函数如何调⽤？

Java 栈可⽤类⽐数据结构中栈，Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每⼀次函数调⽤都会有⼀个对应的栈帧被压⼊Java栈，每⼀个函数调⽤结束后，都会有⼀个栈帧被弹出。Java⽅法有两种返回⽅式：

1. return 语句。
2. 抛出异常。

不管哪种返回⽅式都会导致栈帧被弹出。

本地⽅法栈

和虚拟机栈所发挥的作⽤⾮常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执⾏ Java ⽅法 （也就是字节码）服务，⽽本地⽅法栈则为虚拟机使⽤到的 Native ⽅法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合⼆为⼀。

本地⽅法被执⾏的时候，在本地⽅法栈也会创建⼀个栈帧，⽤于存放该本地⽅法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出⼝信息。⽅法执⾏完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现StackOverFlowError 和OutOfMemoryError 两种异常。

堆

Java 虚拟机所管理的内存中最⼤的⼀块，Java 堆是所有线程共享的⼀块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯⼀⽬的就是存放对象实例，⼏乎所有的对象实例以及数组都在这⾥分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）.从垃圾回收的⻆度，由于现在收集器基本都采⽤分代垃圾收集算法，所以Java堆还可以细分为：新⽣代和⽼年代：再细致⼀点有：Eden空间、From Survivor、To Survivor空间等。进⼀步划分的⽬的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

上图所示的 eden区、s0区、s1区都属于新⽣代，tentired 区属于⽼年代。⼤部分情况，对象都会⾸先在 Eden 区域分配，在⼀次新⽣代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进⼊ s0 或者 s1，并且对象的年龄还会加 1(Eden区i>Survivor 区后对象的初始年龄变为1)，当它的年龄增加到⼀定程度（默认为15岁），就会被晋升到⽼年代中。对象晋升到⽼年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

⽅法区

⽅法区与 Java 堆⼀样，是各个线程共享的内存区域，它⽤于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把⽅法区描述为堆的⼀个逻辑部分，但是它却有⼀个别名叫做 Non-Heap（⾮堆），⽬的应该是与 Java 堆区分开来。

⽅法区也被称为永久代。很多⼈都会分不清⽅法区和永久代的关系，为此我也查阅了⽂献。

⽅法区和永久代的关系

《Java虚拟机规范》只是规定了有⽅法区这么个概念和它的作⽤，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上⽅法区的实现肯定是不同的了。 ⽅法区和永久代的关系很像Java中接⼝和类的关系，类实现了接⼝，⽽永久代就是HotSpot虚拟机对虚拟机规范中⽅法区的⼀种实现⽅式。 也就是说，永久代是HotSpot的概念，⽅法区是Java虚拟机规范中的定义，是⼀种规范，⽽永久代是⼀种实现，⼀个是标准⼀个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久带这⼀说法。

常⽤参数

JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下⾯这些参数来调节⽅法区⼤⼩

-XX:PermSize=N //⽅法区(永久代)初始⼤⼩
-XX:MaxPermSize=N //⽅法区(永久代)最⼤⼤⼩,超过这个值将会抛出OutOfMemoryError异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相对⽽⾔，垃圾收集⾏为在这个区域是比较少出现的，但并⾮数据进⼊⽅法区后就“永久存在”了。JDK 1.8 的时候，⽅法区（HotSpot的永久代）被彻底移除了（JDK1.7就已经开始了），取⽽代之是元空间，元空间使⽤的是直接内存。下⾯是⼀些常⽤参数：

-XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始（和最⼩⼤⼩）
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最⼤⼤⼩

与永久代很⼤的不同就是，如果不指定⼤⼩的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可⽤的系统内存。为什么要将永久代(PermGen)替换为元空间(MetaSpace)呢?

整个永久代有⼀个 JVM 本身设置固定⼤⼩上线，⽆法进⾏调整，⽽元空间使⽤的是直接内存，受本机可⽤内存的限制，并且永远不会得到java.lang.OutOfMemoryError。你可以使⽤ -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最⼤元空间⼤⼩，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。 -XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始⼤⼩如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运⾏时的应⽤程序需求动态地重新调整⼤⼩。当然这只是其中⼀个原因，还有很多底层的原因，这⾥就不提了。

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、接⼝等描述信息外，还有常量池信息（⽤于存放编译期⽣成的各种字⾯量和符号引⽤），既然运⾏时常量池时⽅法区的⼀部分，⾃然受到⽅法区内存的限制，当常量池⽆法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

JDK1.7及之后版本的 JVM 已经将运⾏时常量池从⽅法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了⼀块区域存放运⾏时常量池。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运⾏时数据区的⼀部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使⽤。⽽且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。

JDK1.4 中新加⼊的 NIO(New Input/Output) 类，引⼊了⼀种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O ⽅式，它可以直接使⽤ Native 函数库直接分配堆外内存，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。这样就能在⼀些场景中显著提⾼性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存⼤⼩以及处理器
寻址空间的限制。

2.说⼀下Java对象的创建过程

下图便是 Java 对象的创建过程，我建议最好是能默写出来，并且要掌握每⼀步在做什么。

类加载检查： 虚拟机遇到⼀条 new 指令时，⾸先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引⽤，并且检查这个符号引⽤代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执⾏相应的类加载过程。

分配内存： 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新⽣对象分配内存。对象所需的内存⼤⼩在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把⼀块确定⼤⼩的内存从 Java 堆中划分出来。分配⽅式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择那种分配⽅式由 Java 堆是否规整决定，⽽Java堆是否规整⼜由所采⽤的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配的两种⽅式：（补充内容，需要掌握）

选择以上两种⽅式中的哪⼀种，取决于 Java 堆内存是否规整。⽽ Java 堆内存是否规整，取决于 GC收集器的算法是”标记-清除”，还是”标记-整理”（也称作”标记-压缩”），值得注意的是，复制算法内存也是规整的

内存分配并发问题（补充内容，需要掌握）

在创建对象的时候有⼀个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采⽤两种⽅式来保证线程安全：

• CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的⼀种实现⽅式。所谓乐观锁就是，每次不加锁⽽是假设没有冲突⽽去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为⽌。虚拟机采⽤ CAS 配上失败重试的⽅式保证更新操作的原⼦性。
• TLAB： 为每⼀个线程预先在Eden区分配⼀块⼉内存，JVM在给线程中的对象分配内存时，⾸先在TLAB分配，当对象⼤于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已⽤尽时，再采⽤上述的CAS进⾏内存分配

初始化零值： 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这⼀步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使⽤，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头： 初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进⾏必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运⾏状态的不同，如是否启⽤偏向锁等，对象头会有不同的设置⽅式。

执⾏ init ⽅法： 在上⾯⼯作都完成之后，从虚拟机的视⻆来看，⼀个新的对象已经产⽣了，但从 Java 程序的视⻆来看，对象创建才刚开始， ⽅法还没有执⾏，所有的字段都还为零。所以⼀ 般来说，执⾏ new 指令之后会接着执⾏ ⽅法，把对象按照程序员的意愿进⾏初始化，这样 ⼀个真正可⽤的对象才算完全产⽣出来。

3.对象的访问定位有哪两种⽅式?

建⽴对象就是为了使⽤对象，我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问⽅式有虚拟机实现⽽定，⽬前主流的访问⽅式有①使⽤句柄和②直接指针两种：

1. 句柄： 如果使⽤句柄的话，那么Java堆中将会划分出⼀块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，⽽句柄中包含了对象实例数据与类型数据各⾃的具体地址信息；
2. 
3. 直接指针： 如果使⽤直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，⽽reference 中存储的直接就是对象的地址。
4. 

这两种对象访问⽅式各有优势。使⽤句柄来访问的最⼤好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，⽽ reference 本身不需要修改。使⽤直接指针访问⽅式最⼤的好处就是速度快，它节省了⼀次指针定位的时间开销。

4.说⼀下堆内存中对象的分配的基本策略

堆空间的基本结构：

上图所示的 eden区、s0区、s1区都属于新⽣代，tentired 区属于⽼年代。⼤部分情况，对象都会⾸先在 Eden 区域分配，在⼀次新⽣代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进⼊ s0 或者 s1，并且对象的年龄还会加 1(Eden区i>Survivor 区后对象的初始年龄变为1)，当它的年龄增加到⼀定程度（默认为15岁），就会被晋升到⽼年代中。对象晋升到⽼年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

另外，⼤对象和⻓期存活的对象会直接进⼊⽼年代。

5.Minor Gc和Full GC 有什么不同呢？

⼤多数情况下，对象在新⽣代中 eden 区分配。当 eden 区没有⾜够空间进⾏分配时，虚拟机将发起⼀次Minor GC。

• 新⽣代GC（Minor GC）:指发⽣新⽣代的的垃圾收集动作，Minor GC⾮常频繁，回收速度⼀般也比较快。
• ⽼年代GC（Major GC/Full GC）:指发⽣在⽼年代的GC，出现了Major GC经常会伴随⾄少⼀次的Minor GC（并⾮绝对），Major GC的速度⼀般会⽐Minor GC的慢10倍以上。

6.如何判断对象是否死亡?(两种⽅法)

堆中⼏乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第⼀步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使⽤的对象）。

引⽤计数法

给对象中添加⼀个引⽤计数器，每当有⼀个地⽅引⽤它，计数器就加1；当引⽤失效，计数器就减1；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使⽤的。

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过⼀系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所⾛过的路径称为引⽤链，当⼀个对象到 GC Roots 没有任何引⽤链相连的话，则证明此对象是不可⽤的。

7.简单的介绍⼀下强引⽤,软引⽤,弱引⽤,虚引⽤

⽆论是通过引⽤计数法判断对象引⽤数量，还是通过可达性分析法判断对象的引⽤链是否可达，判定对象的存活都与“引⽤”有关。

JDK1.2之前，Java中引⽤的定义很传统：如果reference类型的数据存储的数值代表的是另⼀块内存的起始地址，就称这块内存代表⼀个引⽤。

JDK1.2以后，Java对引⽤的概念进⾏了扩充，将引⽤分为强引⽤、软引⽤、弱引⽤、虚引⽤四种（引⽤强度逐渐减弱）

强引⽤(StrongReference)

如果⼀个对象只具有软引⽤，那就类似于可有可⽆的⽣活⽤品。如果内存空间⾜够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不⾜了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使⽤。软引⽤可⽤
来实现内存敏感的⾼速缓存。
软引⽤可以和⼀个引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤，如果软引⽤所引⽤的对象被垃圾回收，JAVA虚拟机就会把这个软引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。

弱引⽤(WeakReference)

如果⼀个对象只具有弱引⽤，那就类似于可有可⽆的⽣活⽤品。弱引⽤与软引⽤的区别在于：只具有弱引⽤的对象拥有更短暂的⽣命周期。在垃圾回收器线程扫描它 所管辖的内存区域的过程中，⼀旦发现了只具有弱引⽤的对象，
不管当前内存空间⾜够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是⼀个优先级很低的线程， 因此不⼀定会很快发现那些只具有弱引⽤的对象。
弱引⽤可以和⼀个引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤，如果弱引⽤所引⽤的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。

虚引⽤（PhantomReference）

"虚引⽤"顾名思义，就是形同虚设，与其他⼏种引⽤都不同，虚引⽤并不会决定对象的⽣命周期。如果⼀个对象仅持有虚引⽤，那么它就和没有任何引⽤⼀样，在任何时候都可能被垃圾回收。虚引⽤主要⽤来跟踪对象被垃圾回收的
活动。
虚引⽤与软引⽤和弱引⽤的⼀个区别在于： 虚引⽤必须和引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤。当垃 圾回收器准备回收⼀个对象时，如果发现它还有虚引⽤，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引⽤加⼊到与之关联的引⽤
队列中。程序可以通过判断引⽤队列中是 否已经加⼊了虚引⽤，来了解被引⽤的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引⽤已经被加⼊到引⽤队列，那么就可以在所引⽤的对象的内存被回收之前采取必要的⾏动。
特别注意，在程序设计中⼀般很少使⽤弱引⽤与虚引⽤，使⽤软引⽤的情况᫾多，这是因为软引⽤可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运⾏安全，防⽌内存溢出（OutOfMemory）等问题的产⽣。

8.如何判断⼀个常量是废弃常量?

运⾏时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们如何判断⼀个常量是废弃常量呢？假如在常量池中存在字符串 “abc”，如果当前没有任何String对象引⽤该字符串常量的话，就说明常量”abc” 就是废弃常量，如果这时发⽣内存回收的话⽽且有必要的话，”abc” 就会被系统清理出常量池。

9.如何判断⼀个类是⽆⽤的类?

⽅法区主要回收的是⽆⽤的类，那么如何判断⼀个类是⽆⽤的类的呢？判定⼀个常量是否是“废弃常量”⽐᫾简单，⽽要判定⼀个类是否是“⽆⽤的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满⾜下⾯3个条件才能算是 “⽆⽤的类” ：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
• 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。

虚拟机可以对满⾜上述3个条件的⽆⽤类进⾏回收，这⾥说的仅仅是“可以”，⽽并不是和对象⼀样不使⽤了就会必然被回收。

10.垃圾收集有哪些算法，各⾃的特点？

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”阶段：⾸先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统⼀回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不⾜进⾏改进得到。这种垃圾收集算法会带来明显的问题：

1. 效率问题
2. 空间问题（标记清除后会产⽣⼤量不连续的碎⽚）

复制算法

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为⼤⼩相同的两块，每次使⽤其中的⼀块。当这⼀块的内存使⽤完后，就将还存活的对象复制到另⼀块去，然后再把使⽤的空间⼀次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的⼀半进⾏回收。

标记-整理算法

根据⽼年代的特点特出的⼀种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法⼀样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，⽽是让所有存活的对象向⼀端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采⽤分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为⼏块。⼀般将java堆分为新⽣代和⽼年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

⽐如在新⽣代中，每次收集都会有⼤量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。⽽⽼年代的对象存活⼏率是⽐较⾼的，⽽且没有额外的空间对它进⾏分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进⾏垃圾收集。