JVM（5）面试篇

1 什么是JVM？

关联课程内容
- 基础篇-初识JVM
- 基础篇-Java虚拟机的组成
回答路径
- JVM的定义
- 作用
- 功能
- 组成

1、定义：

JVM 指的是Java虚拟机（ Java Virtual Machine ）。JVM 本质上是一个运行在计算机上的程序，他的职责是运行Java字节码文件，Java虚拟机上可以运行Java、Kotlin、Scala、Groovy等语言。

启动这个程序：

package q1jvm;

import java.io.IOException;

//用java命令启动一个jvm进程，执行程序
public class C01JVM {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.in.read();
    }
}
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任务管理器中启动的Java进程，其实是一个虚拟机进程，它会执行我们编写好的代码。

通过jps命令也可以看到java进程，jps是JDK自带的一共显示Java进程的小工具：

只要能编译成Java字节码文件的语言，Java虚拟机都可以运行。下图是Groovy语言在Java虚拟机上成功运行的结果：

2、作用：

为了支持Java中Write Once，Run Anywhere；编写一次，到处运行的跨平台特性。
在这里插入图片描述

对于C/C++这类语言来说，需要将源代码编译成对应平台（不同的操作系统+CPU架构)的机器码，才能让计算机运行。不满足一次编译，到处运行的跨平台特性。

但是Java语言不同，Java语言将源代码编译成字节码文件之后，就可以交由不同平台下已经安装好的Java虚拟机。Java虚拟机会将字节码指令实时解释成机器码。这样就满足了一次编译（编译成字节码），到处运行的跨平台特性。

3、功能

解释和运行，对字节码文件中的指令，实时的解释成机器码，让计算机执行。
内存管理，自动为对象、方法等分配内存，自动的垃圾回收机制，回收不再使用的对象。
即时编译，对热点代码进行优化，提升执行效率。

执行以下代码：

package q1jvm;

//-Xint 禁止JIT即时编译器优化
public class C03Usage {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();

        C03Usage test = new C03Usage();
        test.jitTest();

        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行耗时:" + (end - start) + "ms");
    }

    public int add (int a,int b){
        return a + b;
    }

    public int jitTest(){
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            sum = add(sum,100);
        }
        return sum;
    }
}
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加上JIT即时编译优化之后，代码执行只需要3ms。但是如果加上-Xint参数关闭即时编译器优化，执行时间需要233ms。

4、组成
在这里插入图片描述

编译器：不属于Java虚拟机的一部分，负责将源代码文件编译成字节码文件。
类加载子系统，负责将字节码文件读取、解析并保存到内存中。其核心就是类加载器。
运行时数据区，管理JVM使用到的内存。
执行引用，分为解释器解释执行字节码指令；即时编译器优化代码执行性能；垃圾回收器将不再使用的对象进行回收。
本地接口，保存了本地已经编译好的方法，使用C/C++语言实现。

5、常见的JVM

在这里插入图片描述

总结

JVM 指的是Java虚拟机，本质上是一个运行在计算机上的程序，他的职责是运行Java字节码文件，作用是为了支持跨平台特性。
JVM的功能有三项：第一是解释执行字节码指令；第二是管理内存中对象的分配，完成自动的垃圾回收；第三是优化热点代码提升执行效率。
JVM组成分为类加载子系统、运行时数据区、执行引擎、本地接口这四部分。
常用的JVM是Oracle提供的Hotspot虚拟机，也可以选择GraalVM、龙井、OpenJ9等虚拟机。

2 了解过字节码文件的组成吗？

关联课程内容
- 基础篇-字节码文件的组成
- 基础篇-字节码文件的工具
回答路径
- 查看字节码文件常用工具
- 字节码文件的组成
- 应用场景：工作中一般不直接查看字节码文件，深入学习JVM的基础

字节码文件本质上是一个二进制的文件，无法直接用记事本等工具打开阅读其内容。需要通过专业的工具打开。

开发环境使用jclasslib插件
服务器环境使用javap –v命令

1、基本信息

魔数、字节码文件对应的Java版本号、访问标识(public final等等)、父类和接口。

类代码:

package q2class;

public class MyClass extends MyParent implements MyInterface{

    private int i = 0;

    @Override
    public void test() {
        int j = 0;
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        new MyClass();
    }
}
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父类代码:

package q2class;

public class MyParent {
}
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接口代码:

package q2class;

public interface MyInterface {
    void test();
}
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编译之后用notepad++打开：

魔数前四个字节是固定的内容0xcafebabe，只有前四个字节满足这个内容才是字节码文件。

使用jclasslib查看到基本信息：

如果在服务器上，可以通过javap -v命令打开字节码文件查看内容：

结果：

2、常量池

保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用。

常量池是一个数组，比如这个序号为10的常量就是一个UTF8的字符串。保存了MyClass的全限定名。

3、字段

当前类或接口声明的字段信息

字段里保存的是名字、描述符（字段类型）、访问标识。其中名字和描述符都指向常量池中的内容。

4、方法

当前类或接口声明的方法信息、字节码指令。

方法中保存了方法名、描述符（参数和返回值）、访问标识。

在这里插入图片描述

还有字节码指令，代码编译后就变成了字节码指令：

5、属性

类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等。

3 说一下运行时数据区

关联课程内容
- 基础篇-程序计数器
- 基础篇-栈
- 基础篇-堆
- 基础篇-方法区
- 基础篇-直接内存
回答路径
- 程序计数器
- 栈
- 堆
- 方法区
- 直接内存（可选）
- 运行时数据区指的是JVM所管理的内存区域，其中分成两大类：
- 线程共享 – 方法区、堆线程不共享 – 本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器
- 直接内存主要是NIO使用，由操作系统直接管理，不属于JVM内存。

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）也叫PC寄存器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的的字节码指令的地址。主要有两个作用：

程序计数器可以控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑。

在多线程执行情况下，Java虚拟机需要通过程序计数器记录CPU切换前解释执行到那一句指令并继续解释运行。

2、栈 - Java虚拟机栈

Java虚拟机栈采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出 ,每一个方法的调用使用一个栈帧来保存。每个线程都会包含一个自己的虚拟机栈，它的生命周期和线程相同。

栈帧主要包含三部分内容：

局部变量表，在方法执行过程中存放所有的局部变量。

操作数栈，虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域。

如下图中，iadd指令会将操作数栈上的两个数相加，为了实现i+1。最终结果也会放到操作数上。

帧数据，主要包含动态链接、方法出口、异常表等内容。

动态链接：方法中要用到其他类的属性和方法，这些内容在字节码文件中是以编号保存的，运行过程中需要替换成内存中的地址，这个编号到内存地址的映射关系就保存在动态链接中。

方法出口：方法调用完需要弹出栈帧，回到上一个方法，程序计数器要切换到上一个方法的地址继续执行，方法出口保存的就是这个地址。

异常表：存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。

3、本地方法栈

Java虚拟机栈存储了Java方法调用时的栈帧，而本地方法栈存储的是native本地方法的栈帧。

在Hotspot虚拟机中，Java虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。本地方法栈会在栈内存上生成一个栈帧，临时保存方法的参数同时方便出现异常时也把本地方法的栈信息打印出来。

4、堆

一般Java程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。
栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。
堆是垃圾回收最主要的部分，堆结构更详细的划分与垃圾回收器有关。

5、方法区

方法区是Java虚拟机规范中提出来的一个虚拟机概念，在HotSpot不同版本中会用永久代或者元空间来实现。方法区主要存放的是基础信息，包含：

每一个加载的类的元信息（基础信息）。

运行时常量池，保存了字节码文件中的常量池内容，避免常量内容重复创建减少内存开销。
字符串常量池，存储字符串的常量。

6、直接内存

直接内存并不在《Java虚拟机规范》中存在，所以并不属于Java运行时的内存区域。在 JDK 1.4 中引入了 NIO 机制，由操作系统直接管理这部分内容，主要为了提升读写数据的性能。在网络编程框架如Netty中被大量使用。

要创建直接内存上的数据，可以使用ByteBuffer。

语法： ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);

总结

运行时数据区指的是JVM所管理的内存区域，其中分成两大类：

线程共享方法区、堆

方法区：存放每一个加载的类的元信息、运行时常量池、字符串常量池。

堆：存放创建出来的对象。

线程不共享 – 本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器

本地方法栈和虚拟机栈都存放了线程中执行方法时需要使用的基础数据。

程序计数器存放了当前线程执行的字节码指令在内存中的地址。

直接内存主要是NIO使用，由操作系统直接管理，不属于JVM内存。

4 哪些区域会出现内存溢出，会有什么现象？

内存溢出指的是内存中某一块区域的使用量超过了允许使用的最大值，从而使用内存时因空间不足而失败，虚拟机一般会抛出指定的错误。

在Java虚拟机中，只有程序计数器不会出现内存溢出的情况，因为每个线程的程序计数器只保存一个固定长度的地址。

1、堆内存溢出：

堆内存溢出指的是在堆上分配的对象空间超过了堆的最大大小，从而导致的内存溢出。堆的最大大小使用-Xmx参数进行设置，如-Xmx10m代表最大堆内存大小为10m。

package q1oom;

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;

//-Xmx10m
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {

        ArrayList