Java基础知识之JVM内存结构浅析及常见面试题

蔚落 2023-07-15 07:00 5阅读 0赞

(1).Sun HotSpot VM，是JDK和Open JDK中自带的虚拟机，也是目前使用范围最广的Java虚拟机。  
(2).JVM内存分布  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTU4ODc1MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**程序计数器**：是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。程序中的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。由于多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，故该区域为线程私有的内存。  
**虚拟机栈**：描述的是Java方法执行的内存模型，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等  
\*\*堆：\*\*是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，存放所实例，也是垃圾收集器管理的主要  
**方法区**：用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。HotSVM针对该区域也进行GC，主要是常量回收以及类  
\*\*(3)常见面试题

1.问:jvm内存区域中哪些是线程私有的?哪些是线程共享的?\*\*  
***线程私有的***：  
**程序计数器(Program Counter Register)  
虚拟机栈(VM Stack)  
本地方法栈(Native Method Stack)**  
**每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量**  
***线程共享的***：  
**堆(Heap)  
它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域,可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，堆中的对象的内存需要等待GC进行回收  
方法区(Method Area)  
方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息  
直接内存 (非运行时数据区的一部分)**

**2.问:JVM内存分配策略?**  
答:对象的内存分配，在大方向上，是在Java堆上进行分配。  
大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。  
大多数情况下，大对象直接进入老年代，虚拟机提供了参数来定义大对象的阀值，超过阀值的对象都会直接进入老年代。  
经过多次Minor GC后仍然存活的对象（长期存活的对象），将进入老年代。虚拟机提供了参数，可以设置阀值。

**3.问:jvm怎么调优?**  
答:1.提供即时的垃圾回收功能  
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  
查看堆空间大小分配（年轻代、年老代、持久代分配）  
垃圾回收监控（长时间监控回收情况）  
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  
线程详细信息：查看线程内部运行情况，死锁检查  
CPU热点：检查系统哪些方法占用了大量CPU时间  
内存热点：检查哪些对象在系统中数量最大

**4.内存泄露的实例?**  
答:比如创建了一个对象,但是这个对象一直没有被使用,但是这个对象一直被应用,就会导致无用但是又不会被回收的情况

**5.jvm中堆和栈有什么区别？请描述各自的用途？**  
栈内存是指程序进入一个方法时，会为这个方法单独分配一块私属存储空间，用于存储这个方法内部的局部变量，  
当这个方法结束时，分配给这个方法的栈会释放，这个栈中的变量也将随之释放。  
堆是与栈作用不同的内存，一般用于存放不放在当前方法栈中的那些数据，  
例如，使用new创建的对象都放在堆里，所以，它不会随方法的结束而消失。方法中的局部变量使用final修饰后，放在堆中，而不是栈中。

**6.jvm堆中的具体的分析?**  
答:年轻代:所有新生成的对象首先都是放在年轻代。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象  
老年代:在年轻代中经历了N次（可配置）垃圾回收后仍然存活的对象，就会被复制到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。  
针对年老代的垃圾回收即 Full GC。  
持久代:用于存放静态类型数据，如 Java Class, Method 等

**7JAVA类生命周期?**  
Java类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。  
答: Loading： 类的信息从文件中获取并且载入到JVM的内存（方法区，常量区）里。  
Verifying： 检查读入的结构是否符合Java语言规范以及JVM规范的描述。这是类装载中最复杂的过程，并且花费的时间也是最长的. 并且JVM TCK工具的大部分场景的用例也用来测试在装载错误的类的时候是否会出现错误。  
Preparing： 分配一个结构用来存储类信息，这个结构中包含了类中定义的成员变量，方法和接口的信息。  
Resolving： 把这个类的常量池中的所有的符号引用改变成直接引用。  
Initializing：把类中的变量初始化成合适的值。执行静态初始化程序，把静态变量初始化成指定的值。

**8，什么是GC？**  
GC是垃圾收集的意思（Gabage Collection）,内存处理是编程人员容易出现问题的地方，  
忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃，Java提供的GC功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自动回收内存的目的，  
Java语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。  
**Serial收集器**：是一个单线程的收集器，只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。  
**ParNew收集器**：是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为与Serial收集器完全一样。  
**CMS收集器**：是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。过程分为以下四个步骤：  
初始标记  
并发标记  
重新标记  
并发清除

**9.GC会先清理堆中的数据还是栈中的数据?**  
答:堆中一般存放你创建的对象，比如调用new XXX  
而栈中存放的一般是局部变量  
栈是线程私有的，而堆中数据是共享的。  
GC只关心堆中的数据，它会实时监控堆中的对象

**10.JVM垃圾回收算法?**  
**标记-清除算法**：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。  
**复制算法**：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当一块内存用完了，将还存另外一块上面，然后在把已使用过的内存空间一次清理掉。  
**标记-整理算法**：标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。  
**分代收集算法**：一般是把Java堆分为新生代和老年代，根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。新生代都发现有大批对象死去，选用复制算法。老年代中因为对象存活率高，必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

**11.JVM常见启动参数?**  
\-Xms / -Xmx — 堆的初始大小 / 堆的最大大小  
\-Xmn — 堆中年轻代的大小  
\-XX:-DisableExplicitGC — 让System.gc()不产生任何作用  
\-XX:+PrintGCDetails — 打印GC的细节  
\-XX:+PrintGCDateStamps — 打印GC操作的时间戳  
\-XX:NewSize / XX:MaxNewSize — 设置新生代大小/新生代最大大小  
\-XX:NewRatio — 可以设置老生代和新生代的比例  
\-XX:PrintTenuringDistribution — 设置每次新生代GC后输出幸存者乐园中对象年龄的分布  
\-XX:InitialTenuringThreshold / -XX:MaxTenuringThreshold：设置老年代阀值的初始值和最大值  
\-XX:TargetSurvivorRatio：设置幸存区的目标使用率

**12.Java对象的创建过程?**  
![在这里插入图片描述][2020031614280487.png]  
Step1: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。

Step2: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：  
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  
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：

Step3: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。

Step4: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、对象的哈希码、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。

Step5:执行 init 方法  
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，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。

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