JVM面试常考的4个问题详解

1.JVM内存区域划分

1）程序计数器

内存中的最小区域，保存了下一条要执行的指令地址在哪。程序想要运行，JVM就得把字节码加载器来访到内存中，程序就会一条一条把指令从内存中取出来放到CPU上执行，因此需要记住当前执行到哪一条。操作系统是以线程为单位进行调度执行的，每个线程都得记录自己的执行位置，因此程序计数器每个线程都会有一个。

2）栈

存放局部变量和方法调用信息，方法调用的时候每次调用一个新的方法就都涉及到“入栈”操作、每次执行完了一个方法都涉及到“出站”操作。每个线程都有一个栈。

3）堆

一个进程只有一份，多个线程共用一个堆，因此也是内存中空间最大的区域。new出来的对象存放在堆中，对象的成员变量自然也是在堆中了。因此可以认为局部变量在栈上，成员变量和new的对象在堆上。

4）方法区

方法区中存放的是“类对象”（.java->.class二进制字节码文件），.class会被加载到内存中，也就被JVM构造成了类对象（加载的过程就称为“类加载”）。这里的类对象就是放到了方法区，类对象描述了这个类长什么样（泪的名字是啥，有啥成员，有哪些方法，每个成员叫啥名字是啥类型，每个方法叫啥名字是啥类型），除此之外静态成员成为了“类属性”，普通的成员是“实例属性”。

2.类加载

把.class文件加载到内存中构建成类对象

1）Loading环节

先找到对应的.class文件，然后打开并读取.class文件，同时初步生成一个类对象。

2）Linking环节

建立实体之间的联系
a.Verification
验证读到的内容是不是和规范中的格式完全匹配，如果发现这里读到的数据格式不符合规范，就会类加载失败并且抛出异常。
b.Preparation
给静态变量分配内存，并设置初始值。
c.Resolution
解析阶段是java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是初始化常亮的过程。.class文件中常量是集中放置的，没一个常量都有一个编号，.class稳健的结构体初始化情况只是记录了编号，就需要根据编号找到对应的内容填充到类对象中。

3）Intializing

真正地对类对象初始化，尤其针对静态成员。

经典面试题：

加载：程序是从main方法开始执行的，main是Test的方法，因此要执行main就需要先加载Test。Test继承自B要加载Test就要先加载B，B继承自A就要先加载A。因此先有前两行AB的静态代码块。
构造：要想构造Test，就得先构造B，要想构造B，就得先构造A。对于A来说构造过程（构造代码块->构造方法的执行）

因此大的原则：

• 创建实例前必须进行类加载，类加载阶段会进行静态代码块的执行
• 静态代码块只是在类加载阶段执行一次
• 每次实例化，构造代码块先进行然后构造方法
• 分类执行在子类前

3.双亲委派模型

JVM中的类加载器如何根据类的全限定名（java.lang.String）找到.class文件的过程。

JVM里提供了专门的对象叫做“类加载器”负责进行类加载，当然找文件的过程也是类加载器来负责的，.class文件放置的位置可能有很多，因此JVM里面提供了多个类加载器，每个类加载器负责一个分区，默认的类加载器主要是3个：

• BootStrapClassLoader：负责加载标准库中的类（String，ArrayList，Random，Scanner…）
• ExtensionClassLoader:负责加载JDK扩展的类
• ApplicationClassLoader：负责加载当前项目目录的类

程序员还可以自定义加载器，来加载目录中的类，Tomcat就自定义了类加载器，用来专门加载webapps里面的.class。

双亲委派模型就描述了这个找目录过程。

1）加载java.lang.String

程序启动先进入ACL类加载器

1. ACL就会检查下，它的附加在其是否已经加载过了，如果没有就调用父“类加载器”ECL
2. ECL也会检查下，它的父“加载器”是否已经加载过了，如果没有就调用父“类加载器”BSCL
3. BSCL也会检查下，它的父“加载器”是否已经加载过了，没有父亲于是扫描自己负责的目录
4. java.lang.String这个类在标准库能找到，直接由BSCL负责后续加载过程。

2）加载自己写的Test类

程序启动先进入ACL类加载器

1. ACL就会检查下，它的附加在其是否已经加载过了，如果没有就调用父“类加载器”ECL
2. ECL也会检查下，它的父“加载器”是否已经加载过了，如果没有就调用父“类加载器”BSCL
3. BSCL也会检查下，它的父“加载器”是否已经加载过了，没有父亲于是扫描自己负责的目录，没有扫描到回到子加载器继续扫描
4. ECL也会扫描下自己负责的目录，也没扫描到回到子加载器继续扫描
5. ACL也会扫描下自己负责的目录，能找到Test类，于是进行后续加载。

设计原因：一旦程序员自己写的类和标准库中的类，全限定类名重复了也能够顺利加载到标准库中的类。自定义的类加载器可以遵守，也可以不遵守双亲委派，tomcat加载webapp得类就不遵守。

4.JVM的垃圾回收机制（GC）

1）垃圾回收的概念

垃圾回收是有运行时环境通过复杂的策略，判定内存是否可以回收并进行回收的动作。垃圾回收本质上是靠运行时环境额外做了很多工作，来完成自动释放内存的操作。

劣势：
1.消耗额外开销
2.可能会影响程序的流畅运行（垃圾回收经常会引入STW问题）

垃圾回收的内容？内存
内存又分为以下几种：

• 程序计数器：固定大小，不涉及释放，也不需要GC
• 栈：函数执行完毕，对应的栈帧也就自动释放了，也不需要GC
• 堆：最需要GC的，代码中的量的内存都是在堆上的
• 方法区：类对象，类加载来的，进行“类加载”就需要释放内存，卸载操作其实是一个非常低频的操作

途中需要进行回收的是不再使用单时尚未回收的内存。对于一部分仍然使用，一部分不在的对象，整体来说是不是放的，等到这个对象彻底完全不使用才真正释放。

2）回收的过程：

找垃圾/判定垃圾

a.基于引用计数（Python采取的方案）

针对每个对象都会额外引入一小块内存，保存这个对象有多少个引用指向它，这个内存不再使用就释放了（引用计数为0）

缺点：

• 空间利用率低，每个new的对象都得搭配个计数器（计数器假设4个字节），如果对象本身很大（几百个字节），多出来的4个字节就可以忽略。但是如果对象本身很小（自己才4个字节），多出4个字节相当于空间被浪费了一倍。
• 会有循环引用的问题

例子：

class Test{
	Test t =null;
}

Test t1 = new Test();
Test t2 = new Test();

t1.t = t2;
t2.t = t1;

t1 = null;
t2 = null;
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此时t1,t2,以及两个对象的状态如上图所示，两个对象的引用计数不为0，所以无法释放。但是由于引用长在彼此身上，外界的代码无法访问到这两个对象。此时此刻这两个对象就被孤立了，既不能使用又不能释放，这就出现了内存泄露的问题。

b.基于可达性分析（java采取的方案）

通过额外的线程，定期的针对整个内存空间的对象进行扫描，由一些起始位置（称为GCRoots），会类似于深度优先遍历一样，把可以访问到的对象都标记一遍（带有标记的对象就是可达的对象），没被标记的对象就是不可达对象（垃圾）。

GCRoots：

• 栈上的局部变量
• 常量池中的引用指向的对象
• 方法区中静态成员指向

优点：空间利用率低，解决了循环引用的问题
缺点：系统开销大，遍历一次可能比较慢

释放垃圾

a.标记清除

标记就是可达性分析的过程，清楚就是直接释放内存。此时如果直接释放虽然内存是还给系统了，但是释放的内存是离散的会带来“内存碎片”问题。

b.复制算法

复制算法是为了解决内存碎片的问题，用一半丢一半直接把不是垃圾的拷贝到另一半，把原来整个空间整体都释放掉。此时内存碎片的问题就迎刃而解了。

缺点：内存空间利用率低，如果要保留的对象多，释放的对象少，复制开销就很大。

c.标记整理
针对复制算法做出的改进

原理类似于顺序表删除中间元素，有一个搬运操作。这个方案空间利用率是高了，但是仍然没有解决复制/搬运元素开销大的问题

d.综合使用（JVM）

实际的JVM中的实现会把多种方案结合起来使用，即“分代回收”，针对对象进行分类。根据对象“年龄”分类，一个对象熬过一轮GC的扫描就称为“长了一岁”，针对不同年龄采取不同方案。

1. 刚创建出来的对象就放在伊甸园
2. 如果伊甸园的对象熬过一轮GC扫描，就会被拷贝到幸存区（应用复制算法）
3. 在后续的几轮GC中，幸存区的对象就在两个幸存区之间来回拷贝（复制算法），每一轮都会淘汰掉一波幸存者
4. 在后续若干轮后进入老年代，老年代的特点：对象年龄大，而且经验可得对象年龄越大，存活的可能性也就越大，因此老年代的GC扫描频率大大低于新生代。老年代使用标记整理方式进行回收。

3）垃圾收集器

比较老的垃圾收集器

• Serial收集器，Serial Old收集器，串行收集即在进行垃圾扫描和释放的时候业务要停止工作，这种方式扫描的慢释放的也慢，也产生严重的STW。
• ParNew收集器（新生代），Parallel Old收集器（老年代），并发手机引入多线程。

新的收集器
1）CMS收集器

1. 初始标记速度很快，会引起短暂的STW（只是找到GCRoots）
2. 并发标记，虽然速度慢但是可以和业务线程并发执行，不会产生STW
3. 重新标记在b业务代码可能会影响并发标记的结果，对b结果的微调，虽然会引起STW但只是微调速度快 回收内存也是和业务线程并发

2）G1收集器（唯一一款全区域的垃圾回收器,Java11de JVM)

把整个内存分成了很小的区域Region，给这些Region进行了不同的标记，有的Region方新生代对象，有的对象放老年代对象。然后在扫描的时候一次扫若干Region（不追求一轮GC就扫描完分多次扫),相比CMS对于业务代码影响更小。G1在当下可以优化到让STW停顿时间小于1ms。