《2021最新Java面试题全集-2021年第二版》不断更新完善!

    

第六章 JVM

1:说一下 JVM 的主要组成部分?及其作用?

类加载器(ClassLoader

运行时数据区(Runtime Data Area

执行引擎(Execution Engine

本地库接口(Native Interface

各自的作用:首先通过类加载器(ClassLoader),把 Java 代码转换成字节码,运行时数据区(Runtime Data Area)再把字节码加载到内存中,而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范,并不能直接交个底层操作系统去执行,因此需要特定的命令解析器执行引擎(Execution Engine),将字节码翻译成底层系统指令,再交由 CPU 去执行,而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口(Native Interface)来实现整个程序的功能。

 

2:说一下 JVM 运行时数据区?

JVM 内存区域主要分为线程私有区域:(程序计数器、虚拟机栈、本地方法区) 线程共享区域:(JAVA 堆、方法区)、还有直接内存这几种。

线程私有数据区域生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束 创建/销毁( HotspotVM , 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死对应)

线程共享区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: JDK NIO 提供了基于 Channel Buffer IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存, 然后使用DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作, 这样就避免了在 Java堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能

   

1:程序计数器(线程私有)

一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器,每条线程都要有一个独立的程序计数器,这类内存也称为线程私有的内存。

正在执行 java 方法的话,计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址(当前指令的地址) 。如果还是 Native 方法,则为空。这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2:虚拟机栈(线程私有)

是描述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。

每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。栈帧( Frame)是用来存储数据和部分过程结果的数据结构,同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking) 方法返回值和异常分派( Dispatch Exception)。

栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成(抛出了在方法内未被捕获的异常)都算作方法结束。

3:本地方法区(线程私有)

本地方法区和 Java Stack 作用类似, 区别是虚拟机栈为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为Native 方法服务, 如果一个 VM 实现使用 C-linkage 模型来支持 Native 调用, 那么该栈将会是一个C 栈,但 HotSpot VM直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4:堆(Heap-线程共享) -运行时数据区

是被线程共享的一块内存区域, 创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中,也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。

由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、 From Survivor 区和 To Survivor )和老年代。

5:方法区(线程共享)

用于存储被 JVM 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。

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。 Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,还有一项信息是常量池,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存放到方法区的运行时常量池中。

 Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求,这样才会被虚拟机认可、装载和执行。

 

 

3:说一下堆栈的区别?

栈内存存储的是局部变量而堆内存存储的是实体;

栈内存的更新速度要快于堆内存,因为局部变量的生命周期很短;

栈内存存放的变量生命周期一旦结束就会被释放,而堆内存存放的实体会被垃圾回收机制不定时的回收。

 

4:说一下栈、堆和静态存储区的用法?

通常我们定义一个基本数据类型的变量,一个对象的引用,还有就是函数调用的现场保存都使用内存中的栈空间。

而通过new关键字和构造器创建的对象放在堆空间;程序中的字面量(literal)如直接书写的100“hello”和常量都是放在静态存储区中。

栈空间操作最快但是也很小,通常大量的对象都是放在堆空间,整个内存包括硬盘上的虚拟内存都可以被当成堆空间来使用。

String str = new String(“hello”);

上面的语句中str放在栈上,用new创建出来的字符串对象放在堆上,而“hello”这个字面量放在静态存储区。

Java还使用了一项叫逃逸分析的技术,可以将一些局部对象放在栈上以提升对象的操作性能。

 

5:System.gc()Runtime.gc()会做什么事情?

这两个方法用来提示JVM要进行垃圾回收。但是,立即开始还是延迟进行垃圾回收是取决于JVM的。

 

6:如果对象的引用被置为null,垃圾收集器是否会立即释放对象占用的内存?

不会立即释放对象占用的内存。 如果对象的引用被置为null,只是断开了当前线程栈帧中对该对象的引用关系,而 垃圾收集器是运行在后台的线程,只有当用户线程运行到安全点(safe point)或者安全区域才会扫描对象引用关系,扫描到对象没有被引用则会标记对象,这时候仍然不会立即释放该对象内存,因为有些对象是可恢复的(在 finalize方法中恢复引用 )。只有确定了对象无法恢复引用的时候才会清除对象内存。

 

7:Java中,对象什么时候可以被垃圾回收?

当一个对象到GC Roots不可达时,在下一个垃圾回收周期中尝试回收该对象,如果该对象重写了finalize()方法,并在这个方法中成功自救(将自身赋予某个引用),那么这个对象不会被回收。

但如果这个对象没有重写finalize()方法或者已经执行过这个方法,也自救失败,该对象将会被回收。

 

8:什么是双亲委派模型?

在介绍双亲委派模型之前先说下类加载器。对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立在 JVM 中的唯一性,每一个类加载器,都有一个独立的类名称空间。类加载器就是根据指定全限定名称将 class 文件加载到 JVM 内存,然后再转化为 class 对象。

类加载器分类:

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),是虚拟机自身的一部分,用来加载Java_HOME/lib/目录中的,或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中并且被虚拟机识别的类库;

扩展类加载器(Extension ClassLoader):负责加载<Java_home style=“box-sizing: border-box; -webkit-tap-highlight-color: transparent; text-size-adjust: none; -webkit-font-smoothing: antialiased; outline: 0px !important;”>\lib\ext目录或Java. ext. dirs系统变量指定的路径中的所有类库;</Java_home>

应用程序类加载器(Application ClassLoader)。负责加载用户类路径(classpath)上的指定类库,我们可以直接使用这个类加载器。一般情况,如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。

双亲委派模型:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一层的类加载器都是如此,这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中,只有当父加载无法完成加载请求(它的搜索范围中没找到所需的类)时,子加载器才会尝试去加载类。

 

9:说一下类加载的执行过程?

JVM中类的装载是由类加载器(ClassLoader)和它的子类来实现的,Java中的类加载器是一个重要的Java运行时系统组件,它负责在运行时查找和装入类文件中的类。

由于Java的跨平台性,经过编译的Java源程序并不是一个可执行程序,而是一个或多个类文件。当Java程序需要使用某个类时,JVM会确保这个类已经被加载、连接(验证、准备和解析)和初始化。

类加载分为以下 5 个步骤:

1)加载:根据查找路径找到相应的 class 文件,然后把类的.class文件中的数据读入到内存中,通常是创建一个字节数组读入.class文件,然后产生与所加载类对应的Class对象,加载完成后,Class对象还不完整,所以此时的类还不可用。

当类被加载后就进入连接阶段,包括验证、准备和解析三个步骤。

2)验证:检查加载的 class 文件的正确性;

3)准备:给类中的静态变量分配内存空间,并设置默认的初始值;

4)解析:虚拟机将常量池中的符号引用替换成直接引用的过程。符号引用就理解为一个标示,而在直接引用直接指向内存中的地址;

5)初始化:对静态变量和静态代码块执行初始化工作

JVM对类进行初始化,包括:1)如果类存在直接的父类并且这个类还没有被初始化,那么就先初始化父类;2)如果类中存在初始化语句,就依次执行这些初始化语句。

 

10:怎么判断对象是否可以被回收?

一般有两种方法来判断:

引用计数器:为每个对象创建一个引用计数,有对象引用时计数器 +1,引用被释放时计数 -1,当计数器为 0 时就可以被回收。它有一个缺点不能解决循环引用的问题;

可达性分析: GC Roots 开始向下搜索,搜索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时,则证明此对象是可以被回收的。

 

11:Java 中都有哪些引用类型?

1:强引用

Java 中最常见的就是强引用, 把一个对象赋给一个引用变量,这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时,它处于可达状态,它是不可能被垃圾回收机制回收的,即使该对象以后永远都不会被用到 JVM也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

2:软引用

软引用需要用 SoftReference 类来实现,对于只有软引用的对象来说,当系统内存足够时它不会被回收,当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

3:弱引用

弱引用需要用 WeakReference 类来实现,它比软引用的生存期更短,对于只有弱引用的对象来说,只要垃圾回收机制一运行,不管 JVM 的内存空间是否足够,总会回收该对象占用的内存。

4:虚引用

虚引用需要 PhantomReference 类来实现,它不能单独使用,必须和引用队列联合使用。 虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

 

12:说一下 JVM 有哪些垃圾回收算法?

标记-清除算法

标记-整理算法

复制算法

分代算法

 

13:说一下 JVM 有哪些垃圾回收器?

Java 堆内存被划分为新生代和年老代两部分,新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法;年老代主要使用标记-整理垃圾回收算法,因此 java 虚拟中针对新生代和年老代分别提供了多种不同的垃圾收集器:

1Serial 垃圾收集器(单线程、 复制算法)

Serial(英文连续) 是最基本垃圾收集器,使用复制算法,曾经是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾收集器。

Serial 是一个单线程的收集器,它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工作,并且在进行垃圾收集的同时,必须暂停其他所有的工作线程,直到垃圾收集结束。Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程,但是它简单高效,对于限定单个 CPU 环境来说,没有线程交互的开销,可以获得最高的单线程垃圾收集效率,因此 Serial垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器。

2ParNew 垃圾收集器(Serial+多线程)

ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本,也使用复制算法,除了使用多线程进行垃圾收集之外,其余的行为和 Serial 收集器完全一样, ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程。

ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数,可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限制垃圾收集器的线程数。 Parallel:平行的】ParNew 虽然是除了多线程外和Serial 收集器几乎完全一样,但是ParNew垃圾收集器是很多 java虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

3Parallel Scavenge 收集器(多线程复制算法、高效)

Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器,同样使用复制算法,也是一个多线程的垃圾收集器。

它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量(Thoughput CPU 用于运行用户代码的时间/CPU 总消耗时间,即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)),高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间,尽快地完成程序的运算任务,主要适用于在后台运算而不需要太多交互的任务。

 自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个重要区别。

4Serial Old 收集器(单线程标记整理算法

Serial Old Serial 垃圾收集器年老代版本,它同样是个单线程的收集器,使用标记-整理算法,这个收集器也主要是运行在 Client 默认的 java 虚拟机默认的年老代垃圾收集器。

Server 模式下,主要有两个用途:

1)在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。

2)作为年老代中使用 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。

新生代 Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器工作原理类似,都是多线程的收集器,都使用的是复制算法,在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。

5Parallel Old 收集器(多线程标记整理算法)

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本,使用多线程的标记-整理算法,在 JDK1.6才开始提供。在 JDK1.6 之前,新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器,只能保证新生代的吞吐量优先,无法保证整体的吞吐量。

Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器, 如果系统对吞吐量要求比较高,可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器。

6CMS 收集器(多线程标记清除算法)

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器,其最主要目标是获取最短垃圾回收停顿时间, 和其他年老代使用标记-整理算法不同,它使用多线程的标记-清除算法。最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。

6G1 收集器

Garbage first 垃圾收集器是JDK9+默认的收集器,相比与 CMS 收集器, G1 收集器两个最突出的改进是:

1)基于标记-整理算法,不产生内存碎片。

2)可以非常精确控制停顿时间,在不牺牲吞吐量前提下,实现低停顿垃圾回收。

G1 收集器避免全区域垃圾收集,它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域,并且跟踪这些区域的垃圾收集进度,同时在后台维护一个优先级列表,每次根据所允许的收集时间, 优先回收垃圾最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制,确保 G1 收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收集效率。

 

 

14:详细介绍一下 CMS 垃圾回收器?

CMS 是英文 Concurrent Mark-Sweep 的简称,是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器。对于要求服务器响应速度的应用上,这种垃圾回收器非常适合。在启动 JVM 的参数加上“-XX:+UseConcMarkSweepGC”来指定使用 CMS 垃圾回收器。

CMS 使用的是标记-清除的算法实现的,所以在 gc 的时候会产生大量的内存碎片,当剩余内存不能满足程序运行要求时,系统将会出现 Concurrent Mode Failure,临时 CMS 会采用 Serial Old 回收器进行垃圾清除,此时的性能将会被降低。

CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂,整个过程分为以下 4 个阶段:

1)初始标记

只是标记一下 GC Roots 能直接关联的对象,速度很快,仍然需要暂停所有的工作线程。

2)并发标记

进行 GC Roots 跟踪的过程,和用户线程一起工作,不需要暂停工作线程。

3)重新标记

为了修正在并发标记期间,因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,仍然需要暂停所有的工作线程。

4)并发清除

清除 GC Roots 不可达对象,和用户线程一起工作,不需要暂停工作线程。由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中,垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作, 所以总体上来看CMS 收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。

15:新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器都有哪些?有什么区别?

新生代回收器:SerialParNewParallel Scavenge

老年代回收器:Serial OldParallel OldCMS

整堆回收器:G1

新生代垃圾回收器一般采用的是复制算法,复制算法的优点是效率高,缺点是内存利用率低;老年代回收器一般采用的是标记-整理的算法进行垃圾回收

 

16:简述分代垃圾回收器是怎么工作的?

分代回收器有两个分区:老年代和新生代,新生代默认的空间占比总空间的 1/3,老年代的默认占比是 2/3

新生代使用的是复制算法,新生代里有 3 个分区:EdenTo SurvivorFrom Survivor,它们的默认占比是 8:1:1,它的执行流程如下:

1)把 Eden + From Survivor 存活的对象放入 To Survivor 区;

2)清空 Eden From Survivor 分区;

3From Survivor To Survivor 分区交换,From Survivor To SurvivorTo Survivor From Survivor

4)每次在 From Survivor To Survivor 移动时都存活的对象,年龄就 +1,当年龄到达 15(默认配置是 15)时,升级为老年代。大对象也会直接进入老年代。

5)老年代当空间占用到达某个值之后就会触发全局垃圾收回,一般使用标记整理的执行算法。

以上这些循环往复就构成了整个分代垃圾回收的整体执行流程

 

17:说一下 JVM 调优的工具?

JDK 自带了很多监控工具,都位于 JDK bin 目录下,其中最常用的是 jconsole VisualVM JMC这几款视图监控工具。

jconsole

用于对 JVM 中的内存、线程和类等进行监控;

VisualVM

VisualVM被称为一体化Java故障排除工具 是一个集成命令行JDK工具和轻量级分析功能的可视化工具。它使用各种技术(包括jvmstatJMXServiceability AgentAttach API)监视和解决在Java上运行的应用程序

JMC可视化监控工具主要包含两大块内容:

1JMX 控制台:监视和控制正在运行的JVM实例以及其上运行的应用程序。实时收集有关 Java 应用程序特征 (如内存使用量和 CPU 占用率) JVM 活动 (如垃圾收集和方法优化) 的实时信息。

2Java 飞行记录器JFRJava Flight Recorder):JMC 中一个非常关键的功能。提供了一种从操作系统层、JVM Java 应用程序层收集事件的方式,是一个用于收集有关正在运行的 Java 应用程序的诊断数据和概要分析数据的工具

 

18:常用的 JVM 调优的参数都有哪些?

-Xms2g:初始化推大小为 2g

-Xmx2g:堆最大内存为 2g

-XX:NewRatio=4:设置年轻的和老年代的内存比例为 1:4

-XX:SurvivorRatio=8:设置新生代 Eden Survivor 比例为 8:2

-XX:+UseParNewGC:指定使用 ParNew + Serial Old 垃圾回收器组合;

-XX:+UseParallelOldGC:指定使用 ParNew + ParNew Old 垃圾回收器组合;

-XX:+UseConcMarkSweepGC:指定使用 CMS + Serial Old 垃圾回收器组合;

-XX:+PrintGC:开启打印 gc 信息;

-XX:+PrintGCDetails:打印 gc 详细信息。