JVM相关面试题

什么是 JVM?

JVM 是Java Virtual Machine (Java虚拟机) 的缩写，是一个可以执行Java字节码的虚拟机进程 。是Java实现跨平台的最核心的部分

Java语言的执行原理？

先编译，后解释执行
Java源文件 --> 编译器 --> class文件（虚拟指令）–> Java虚拟机（JVM）–> 解释为指令执行

Java的字节码文件结构？

ClassFile {
    u4             magic;                        // 魔数，标识类文件的类型。Java类文件固定为0xCAFEBABE。
    u2             minor_version;                // 次版本号，指示Java编译器的版本。
    u2             major_version;                // 主版本号，指示Java编译器的版本。
    u2             constant_pool_count;          // 常量池计数，存储着类文件中使用的字符串、类、字段、方法等常量信息。
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1]; // 常量池数组，存储着类文件中使用的字符串、类、字段、方法等常量信息。
    u2             access_flags;                 // 访问标志，描述类或接口的访问级别和属性。
    u2             this_class;                   // 当前类的索引，指示该类在常量池中的位置。
    u2             super_class;                  // 父类的索引，指示该类直接父类在常量池中的位置。
    u2             interfaces_count;             // 接口数量，列出该类实现的接口。接口也在常量池中表示。
    u2             interfaces[interfaces_count];// 接口数组，列出该类实现的接口。接口也在常量池中表示。
    u2             fields_count;                 // 字段数量，描述类包含的字段。
    field_info     fields[fields_count];         // 字段数组，描述类包含的字段。
    u2             methods_count;                // 方法数量，描述类中定义的方法。
    method_info    methods[methods_count];       // 方法数组，描述类中定义的方法。
    u2             attributes_count;             // 属性数量，用于存储类、字段和方法的附加信息，如注解、源码行号等。
    attribute_info attributes[attributes_count];// 属性数组，用于存储类、字段和方法的附加信息，如注解、源码行号等。
}

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前4个字节是固定的魔数，用于标识该文件是否为有效的Java字节码文件

编译就是将Java源文件转化为JVM认识的16进制的class文件格式

什么是u2,u4?

u2: 代表数据占两个字节
u4: 代表数据占四个字节

JVM 加载过程都是什么步骤？

首先是加载，将编译好的class文件转为二进制流，将二进制流中类的信息存入方法区中，类对象存入堆中，然后是链接，链接包括三个阶段
第一个阶段是验证，验证加载的类的正确性，是否符合class文件规范，第二个阶段就是准备，在方法区中为静态变量分配空间，并设置初始值，将常量池中的符号引用转为直接引用，接下来是初始化，主要完成静态块执行以及静态变量的赋值

1. 装载

• 获取类的全限定类名，把class文件转化为二进制流
• 把二进制流中类的描述信息存入方法区中。如：创建时间、版本等
• 将java.lang.Class对象存入堆中

2. 链接

• 验证：验证被加载类的正确性：如文件的格式，元数据等。
• 准备：在方法区中为静态变量分配空间，并设置初始值。
• 解析：把类的符号引用转为直接引用。
  • 符号引用：class文件定义的内容
  • 直接引用：JAVA进程中真实的地址

3. 初始化
为类的静态变量设置默认值、执行静态代码块。

什么是类加载器？

类加载器是一个用来加载类文件的类。
在JVM中 不同的类加载器加载不同的类
启动类加载器(Bootstrap classLoader): 主要负责加载JAVA中的一些核心类库，主要是位于/lib/rt.jar中。
扩展类加载器(Extension classLoader): 主要加载JAVA中的一些扩展类，位于/lib/ext中，是启动类加载器的子类。
应用类加载器(System classLoader): 主要用于加载CLASSPATH路径下我们自己写的类，是扩展类加载器的子类。

什么是双亲委派模型

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则继续向上委托，最终到达顶层的启动类加载器。如果父类加载器可以完成加载任务，就成功返回。如果父类加载器无法完成加载任务，子类加载器才会尝试自己去加载

如何打破双亲委派机制？

自定义类加载器类，继承ClassLoader 类，重写loadClass方法

什么是 tomcat 类加载机制？

当 tomcat启动时，会创建几种类加载器：
Bootstrap 引导类加载器 加载 JVM启动所需的类，以及标准扩展类（位于 jre/lib/ext 下）
System 系统类加载器 加载 tomcat 启动的类，比如bootstrap.jar，通常在 catalina.bat 或者 catalina.sh 中指定。位于 CATALINA_HOME/bin下。
Common 通用类加载器

什么是JVM内存模型？

• JDK 1.6：有永久代，静态变量存放在永久代上。
• JDK 1.7：有永久代，但已经把字符串常量池、静态变量，存放在堆上。逐渐的减少永久代的使用。
• JDK 1.8：无永久代，运行时常量池、类常量池，都保存在元数据区，也就是常说的元空间。但字符串常量池仍然存放在堆上。

JVM 按照线程是否共享将内存分为两大类

线程独享区
只用当前线程能访问的数据区域，线程之间不能共享
线程独享去随着线程的创建而创建，随着线程的销毁而被回收

线程共享区
所有的线程都可以访问
当线程被销毁的时候，共享区的数据不会被立即回收，需要等待达到垃圾回收的阈值之后才会进行回收

1.程序计数器
当同时进行的线程数超过CPU数或其内核数时，就要通过时间片轮询分派CPU的时间资源，不免发生线程切换。这时，每个线程就需要一属于自己的计数器来记录下一条要运行的指令。如果执行的是JAVA方法，计数器记录正在执行的java字节码地址，如果执行的是native方法，则计数器为空。
较小的内存空间、线程私有，记录当前线程所执行的字节码行号。

2.虚拟机栈
存放当前线程中所声明的变量，包括基本数据类型的数据和引用类型的数据的引用。
引用数据类型的引用存放在虚拟机栈中，而对象存放在堆内存中，引用数据类型占用四个字节存放地址
栈帧
每一个线程都会对应一个虚拟机栈，线程中的每个方法都会创建一个栈帧，存放局部变量，操作数栈，常量数据的引用，方法返回值的地址

虚拟机栈溢出异常
栈帧调用的深度太深，会出现虚拟机栈溢出异常StackOverflowError（SOF异常）。一般手动方法的调用是不会出现这个异常的，如果出现了这个异常，99%是由于递归造成的。
可以通过修改虚拟机栈的内存大小设置栈帧的最大深度，指令为：-Xss虚拟机栈内存大小
一般栈帧的深度达到3000~5000即可
太小：虚拟级栈容易溢出
太大：每个线程占据的内存太大，影响线程数量

3.本地方法栈
与虚拟机栈作用相似。但它不是为Java方法服务的，而是本地方法（C语言）。由于规范对这块没有强制要求，不同虚拟机实现方法不同。

4.堆
线程共享的(所有的线程共享一份). 存放对象的,new 的对象都存储在这个区域.还有就是常量池

5.方法区
在 java8 之后，我们把方法区称之为元空间（MetaSpace），方法区在逻辑上属于堆的一部分，但一些具体机制和堆有所区别，如：一些JVM 的方法区是可以不进行垃圾回收的，关闭 JVM 时才会释放方法区内存。所以方法区还有一个别名叫非堆，目的是和堆分开。方法区会存储类信息、静态变量、常量（JDK8 之后不存放字符串常量）、本地机器指令。

如果加载大量 class 文件，也会造成方法区内存溢出，如一个 tomcat 运行 20~30 个项目

什么是JVM执行引擎

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。JVM将字节码装载到内存中，但是字节码并不能直接运行在操作系统之上。为了执行内存中的字节码文件指令，执行引擎（Execution Engine）就要将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令。

执行引擎的翻译过程为两种：

1. 通过解释器将字节码文件转化为机器指令执行；
2. 使用即时编译器（JIT）将字节码文件的二进制流编译成机器指令执行

目前市面上主流的JVM采用解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器相互协作，取长补短。

什么是解释器与即时编译器

解释器每次解释都会将字节码文件解释为机器指令。整体效率较低，但当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。

即时编译器则会将字节码文件编译成机器指令，存在方法区，编译完成后直接执行本地机器指令即可。编译器吧代码编译成本地代码需要一定的执行时间，但编译为本地代码后执行效率高。

当Java虚拟机启动时，解释器首先发挥作用，不必等待及时编译器全部编译完成后再执行。随着时间的推移，编译器把越来越多的代码编译成本地代码，此时运行本地机器指令，获得更高的执行效率。

简述Java的对象结构

Java对象在内存中主要有以下几个部分：
对象头
MarkWord：一系列标记位（哈希码、分代年龄、锁标记状态等），在64位系统中占8个字节。
ClassPoint：对象对应的类信息的内存地址，在64位系统中占8字节。
Length：数组对象持有，表示数组长度，占4个字节。

实例数据
包含了对象的所有成员变量，大小由变量类型决定。

对齐填充
将对象大小填充为8字节的整数倍

为什么要进行垃圾回收？

如果对象只创建不回收，会造成堆内存溢出OutOfMemoryError（OOM）异常。
可以修改堆内存大小的指令
-Xms10M 初始堆内存大小为10M
-Xmx10M 最大堆内存大小为10M

为什么要进行堆内存分区：

1. 提高搜索垃圾的效率。
2. 垃圾回收后可以更好的利用内存空间，存放大对象。
3. 尽可能减少GC次数

简述一下JVM堆内存的划分

老年代：
对象会优先分配到新生代内存中，每次GC后没有回收的对象年龄加一，年龄到15还没有被回收，对象会存放到老年代内存中；如果对象较大，超过新生代内存的一半，对象也会存放到老年代区域。

新生代
为了减少young去垃圾回收后的空间碎片，新生代有分为Eden区和连个Survivor区，且始终有一个Survivor区保持闲置。对象会先存放到Eden区当中，Eden区空间满了之后会进行young区的垃圾回收，之后将young区所有存活的对象复制到闲置的Survivor区中，并清空Eden区和正在使用的Survivor区。

什么是YoungGC和OldGC

YoungGC

新生代区域的垃圾回收称之为YoungGC，也叫MinorGC，Eden区满后会触发YoungGC

OldGC

老年代区域的垃圾回收称之为OldGC，也叫MajorGC，OldGC非常浪费性能，所以我们的JVM调优要尽可能减少OldGC的次数，OldGC往往伴随着YoungGC。YoungGC+OldGC=FullGC

Survivor区空间并不大，如果满了怎么办？

1. 一般情况下GC会回收95%的对象，且超过15次GC的对象会存放到old区，所以Survivor区不容易满。
2. 如果Survivor区满了，会触发担保机制，提前将对象存入Old区。

为什么需要Survivor区？

为了减少垃圾回收带来的空间碎片，空间碎片过多会频繁触发YoungGC。

为什么需要两块Survivor区？

为了减少Survivor区的空间碎片。

如何判断一个对象是垃圾

引用计数法：
如果操作对象，必须通过引用来进行。如果一个对象没有任何引用与之关联，则说明该对象基本不可能在其他地方被使用到。那么这个对象就成为可被回收的对象了。这种方法实现简单，效率高，但是无法解决循环引用的问题，因此Java中并没有采取这种方式（Python采用的引用计数法）。
可达性分析：
以一个GC Root 对象作为起点进行搜索，如果在GC Roots 和对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。
GC ROOT 对象：
栈帧中本地变量表引用的对象
方法区中静态属性引用的对象
方法区中常量引用的对象
本地方法栈中引用的对象

你知道哪些垃圾收集算法？

标记——清除算法： 效率较低，有空间碎片。Old区使用的算法

复制算法: 空间碎片少，但会浪费空间。存活对象较少才会使用的算法。young区使用的算法。

标记——整理算法： 空间碎片少，效率较低。Old区使用的算法。

分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

什么是垃圾收集器？如何判断一个垃圾收集器的好坏呢？

垃圾收集器是对垃圾回收算法的实现。
垃圾收集器的执行效率= 吞吐量 / 停顿时间
吞吐量 = 用户代码执行时间 / （用户代码执行事件+停顿时间）

说一下 JVM 有哪些垃圾收集器？

串行收集器： 只有一个垃圾回收线程，在垃圾回收时暂停用户代码线程，如 Serial 和 Serial Old收集器。

并行收集器: 吞吐量优先，多个垃圾收集器线程共同工作, 尽快完成垃圾收集。如 ParNew，Parallel Scanvenge, Parallel Old 收集器

并发收集器: 停顿时间优先，用户线程和垃圾回收线程一同工作，用户代码线程也会完全停止一小段时间，如 CMS，G1 收集器。

CMS收集器

CMS（concurrent mark sweep，并发标记扫描）收集器是并发收集器，是基于标记 ——清理的算法进行垃圾回收，用于 OldGC
优点：并发收集、低停顿
缺点：会产生大量空间碎片，停顿时间虽然短但是不可控。

问：CMS 收集器为什么不进行并发的初始标记？
因为初始标记速度很快，不值得多开线程，开线程也是需要耗费资源的

G1 收集器

G1（garbage first，垃圾优先）收集器是并发收集器，从 JDK1.7 开始支持，能进行OldGC 和 YoungGC。Old 区采用标记整理算法，Young 区采用复制算法。
G1 收集器没有固定的 Old、Young、Eden、Survivor 区，而是将内存分为一个个大小相等的 Region（格子，1Mb~32Mb)。每次垃圾回收后，Region 的用途可以发生改变，提高了内存的灵活性和利用率。

G1 收集器可以根据开发者设置的参数，停顿时间的期望值，优先筛选回收存活的对象比较少，垃圾对象比较大的区域 Region，可以把更多空余的空间释放出来。

ZGC 收集器

ZGC 从 JDK11 开始支持，目前还是一个实验性版本，原理类似 G1。是目前收集效率最高的垃圾收集器，平均暂停时间为 0.05 毫秒。

如何选择垃圾收集器？

优先让服务器自己来选择

• 如果内存小于 100M，使用串行收集器 参数： -XX:+UseSerialGC 。
• 如果服务器是单核，并且没有停顿时间要求，使用串行收集器 参数： -XX:+UseSerialGC
• 如果你的应用是“吞吐量”优先的，并且对较长时间的停顿没有什么特别的要求。选择并行收集器是比较好的。参数： -XX:+UseParallelGC
• 如果你的应用对响应时间要求较高，想要较少的停顿。甚至 1 秒的停顿都会引起大量的请求失败，那么选择 G1 、 ZGC 、 CMS 都是合理的。虽然这些收集器的 GC 停顿通常都比较短，但它需要一些额外的资源去处理这些工作，通常吞吐量会低一些。
  参数：
  -XX:+UseConcMarkSweepGC 、
  -XX:+UseG1GC 、
  -XX:+UseZGC 等。

如何设置JVM的参数？

Intellij idea：在运行设置的 VM Option 中设置。
tomcat：进入 Tomcat 的 bin 目录下，打开文件 catalina.bat/catalina.sh，修改如下参数。

set "JAVA_OPTS=参数"
1

JVM常用命令

jps：查看当前执行的所有 JAVA 进程
jinfo：实时查看 JVM 参数
jinfo -flag InitialHeapSize PID：JAVA 进程堆内存大
jinfo -flag UseG1GC PID：JAVA 进程是否使用 G1GC
jinfo -flag UseParallelGC PID：JAVA 进程是否使用 ParallelG
jstat：虚拟机性能信息
jstat -class PID 1000：每秒查看一次虚拟机中类加载信息
jmap：打印快照
jmap -heap PID：查看堆存储快照
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof PID：在出现内存溢出异常时，将堆内存的信息下载到文件中