【面试题】JVM常见面试题（一）

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JVM的内存结构(运行时数据区)?

可以按线程是否私有分为两大类：

线程私有的有程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
线程共享的有堆、方法区

在这里插入图片描述

1、程序计数器：

一块较小的内存空间，程序计数器用于保存 JVM 中下一条所要执行的字节码指令的地址！如果正在执行的是 Native 方法，则这个计数器值则为空。程序计数器在硬件层面是通过 寄存器 实现的！
CPU会为每个线程分配时间片，当当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
此区域是唯一一个虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域，不会存在内存溢出

Java指令执行流程：

.java代码源文件经过编译为.class 二进制字节码文件。
.class 文件中的每一条二进制字节码指令(JVM指令) 通过 解释器 转换成 机器码 然后就可以被 CPU 执行了！
当 解释器 将一条 jvm 指令转换成 机器码 后，同时会向程序计数器 递交下一条 jvm 指令的执行地址！

2、Java虚拟机栈：

每个线程运行需要的内存空间
每个栈由多个栈帧组成，对应着每次调用方法时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法是每个线程运行需要的内存空间，每个方法在执行的同时都会创建一个帧栈(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

Java虚拟机栈的异常状况？

虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归）或者每个栈帧所占用过大出现StackOverflowError异常；
如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

垃圾回收是否涉及栈内存？

不涉及。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。

栈内存的分配越大越好吗？

不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。

方法内的局部变量是否是线程安全的？

如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，则是线程安全的
如果局部变量引用了对象，并逃离了方法的作用范围，则需要考虑线程安全问题

3、本地方法栈：

一些带有native关键字的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法
与Java虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和 OutOfMemoryError异常

4、堆：

所有线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。也就是说通过new关键字创建的对象都会使用堆内存
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆”（Garbage）。
-Xmx -Xms：JVM初始分配的堆内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64。
如果在堆中没有完成实例分配。并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常

5、方法区：

用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出异常

内存溢出

1.8以前会导致永久代内存溢出，java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space
1.8以后会导致元空间内存溢出，java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace

方法区的演进？

在这里插入图片描述

1.6 版本方法区是由永久代实现(使用堆内存的一部分作为方法区)，且由JVM 管理。由Class、ClassLoader、常量池(包括StringTable) 组成。
- 静态变量就存放在永久代(方法区)上。
Jdk 1.7 版本仍有永久代，但已经逐步 " 去永久代 "，StringTable、静态变量从永久代移除，保存在堆中。
1.8 版本后，方法区交给本地内存管理，而脱离了JVM，由元空间实现(元空间不再使用堆的内存，而是使用本地内存，即操作系统的内存)，由Class、ClassLoader、常量池(StringTable 被移到了堆中管理) 组成。
- 静态变量、StringTable 存放在堆中！

为什么要用元空间取代永久代？

因为永久代有以下几个弊端：

① 字符串常量池存在于永久代中，在大量使用字符串的情况下，非常容易出现OOM的异常。
② JVM加载的class的总数，方法的大小等都很难确定，因此对永久代大小的指定难以确定。太小的永久代容易导致永久代内存溢出，太大的永久代则容易导致虚拟机内存紧张，空间浪费。
③ 永久代进行调优很困难：方法区的垃圾收集主要回收两部分，常量池中废弃的常量和不再使用的类。而不再使用的类或类的加载器回收比较复杂，FULL GC 的时间长。

常量池？

二进制字节码的组成：类的基本信息、常量池、类的方法定义（包含了虚拟机指令）

通过反编译来查看类的信息

获得对应类的.class文件
- 在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入
- 输入 javac 对应类的绝对路径
```
F:\JAVA\JDK8.0\bin>javac F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.java
```
  输入完成后，对应的目录下就会出现类的.class文件

在控制台输入 javap -v 类的绝对路径

javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.class

然后能在控制台看到反编译以后类的信息了
- 类的基本信息
- 常量池constant pool
- 虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，#号的内容需要在常量池中查找）

运行时常量池？

常量池
- 就是一张表（如上图中的constant pool），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息
运行时常量池
- 常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

常量池与串池的关系？

串池StringTable

特征

常量池中的字符串仅是符号，只有在被用到时才会转化为对象
利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
字符串变量拼接的原理是StringBuilder
字符串常量拼接的原理是编译器优化
可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池中
注意：无论是串池还是堆里面的字符串，都是对象

用来放字符串对象且里面的元素不重复

public class StringTableStudy {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		String a = "a"; 
		String b = "b";
		String ab = "ab";
	}
}

常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串

0: ldc           #2                  // String a
2: astore_1
3: ldc           #3                  // String b
5: astore_2
6: ldc           #4                  // String ab
8: astore_3
9: returnCopy

当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构不可扩容）

当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中

当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中

最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]

注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。

使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程

public class StringTableStudy {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		String a = "a";
		String b = "b";
		String ab = "ab";
		//拼接字符串对象来创建新的字符串
		String ab2 = a+b; 
	}
}

反编译后的结果

	 Code:
      stack=2, locals=5, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        29: returnCopy

通过拼接的方式来创建字符串的过程是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()

最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中

String ab = "ab";
String ab2 = a+b;
//结果为false,因为ab是存在于串池之中，ab2是由StringBuffer的toString方法所返回的一个对象，存在于堆内存之中
System.out.println(ab == ab2);

使用拼接字符串常量对象的方法创建字符串

public class StringTableStudy {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		String a = "a";
		String b = "b";
		String ab = "ab";
		String ab2 = a+b;
		//使用拼接字符串的方法创建字符串
		String ab3 = "a" + "b";
		System.out.println(ab == ab2); // false
        System.out.println(ab == ab3); // true
        System.out.println(ab2 == ab3); // false
	}
}

反编译后的结果

 	  Code:
      stack=2, locals=6, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        //ab3初始化时直接从串池中获取字符串
        29: ldc           #4                  // String ab
        31: astore        5
        33: returnCopy

使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建ab的时候已经在串池中放入了“ab”，所以ab3直接从串池中获取值，所以进行的操作和 ab = “ab” 一致。
使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuilder来创建

intern方法 1.8

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

如果串池中没有该字符串对象，则放入成功
如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

注意：此时如果调用intern方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象

例1

public class Main {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		//"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
		String str = new String("a") + new String("b");
		//调用str的intern方法，这时串池中没有"ab"，则会将该字符串对象放入到串池中，此时堆内存与串池中的"ab"是同一个对象
		String st2 = str.intern();
		//给str3赋值，因为此时串池中已有"ab"，则直接将串池中的内容返回
		String str3 = "ab";
		//因为堆内存与串池中的"ab"是同一个对象，所以以下两条语句打印的都为true
		System.out.println(str == st2);
		System.out.println(str == str3);
	}
}

例2

public class Main {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
        //此处创建字符串对象"ab"，因为串池中还没有"ab"，所以将其放入串池中
		String str3 = "ab";
        //"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
		String str = new String("a") + new String("b");
        //此时因为在创建str3时，"ab"已存在与串池中，所以放入失败，但是会返回串池中的"ab"
		String str2 = str.intern();
        //false
		System.out.println(str == str2);
        //false
		System.out.println(str == str3);
        //true
		System.out.println(str2 == str3);
	}
}

intern方法 1.6

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

如果串池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到串池中
如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

注意：此时无论调用intern方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象

StringTable 垃圾回收？

StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收

StringTable调优？

因为StringTable是由HashTable实现的，所以可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间
```
-XX:StringTableSize=xxxx
```
考虑是否需要将字符串对象入池

可以通过intern方法减少重复入池

6、直接内存

属于操作系统，常见于NIO操作时，用于数据缓冲区
分配回收成本较高，但读写性能高
不受JVM内存回收管理

文件读写流程

使用了DirectBuffer

直接内存是操作系统和Java代码都可以访问的一块区域，无需将代码从系统内存复制到Java堆内存，从而提高了效率

释放原理？

直接内存的回收不是通过JVM的垃圾回收来释放的，而是通过unsafe.freeMemory来手动释放

通过

//通过ByteBuffer申请1M的直接内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M);

申请直接内存，但JVM并不能回收直接内存中的内容，它是如何实现回收的呢？

allocateDirect的实现

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    
    
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

DirectByteBuffer类

DirectByteBuffer(int cap) {
    
       // package-private
   
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
    
    
        base = unsafe.allocateMemory(size); //申请内存
    } catch (OutOfMemoryError x) {
    
    
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
    
    
        // Round up to page boundary
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
    
    
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); //通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象
    att = null;
}

这里调用了一个Cleaner的create方法，且后台线程还会对虚引用的对象监测，如果虚引用的实际对象（这里是DirectByteBuffer）被回收以后，就会调用Cleaner的clean方法，来清除直接内存中占用的内存

public void clean() {
    
    
       if (remove(this)) {
    
    
           try {
    
    
               this.thunk.run(); //调用run方法
           } catch (final Throwable var2) {
    
    
               AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
    
    
                   public Void run() {
    
    
                       if (System.err != null) {
    
    
                           (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
                       }

                       System.exit(1);
                       return null;
                   }
               });
           }Copy

对应对象的run方法

public void run() {
    
    
    if (address == 0) {
    
    
        // Paranoia
        return;
    }
    unsafe.freeMemory(address); //释放直接内存中占用的内存
    address = 0;
    Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}Copy

直接内存的回收机制总结

使用了Unsafe类来完成直接内存的分配回收，回收需要主动调用freeMemory方法可以参考【JDK源码】魔法类Unsafe
ByteBuffer的实现内部使用了Cleaner（虚引用）来检测ByteBuffer。一旦ByteBuffer被垃圾回收，那么会由ReferenceHandler来调用Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放内存

JVM 是如何判断对象可以被回收的？

两种算法：引用计数法、可达性分析算法

1、引用计数法

如果一个对象被其他变量所引用，则让该对象的引用计数+1，如果该对象被引用 2 次则其引用计数为 2，依次类推。
某个变量不再引用该对象，则让该对象的引用计数-1，当该对象的引用计数变为0 时，则表示该对象没用被其他变量所引用，这时候该对象就可以被作为垃圾进行回收。

引用计数法弊端：循环引用时，两个对象的引用计数都为 1 ，导致两个对象都无法被释放回收。最终就会造成内存泄漏！

在这里插入图片描述

2、可达性分析算法

JVM中的垃圾回收器通过可达性分析来探索所有存活的对象
扫描堆中的对象，看能否沿着GC Root(根对象，就是肯定不会被当成垃圾回收的对象)对象为起点的引用链找到该对象，如果找不到，则表示可以回收
可以作为GC Root的对象
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
- 方法区中类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JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

但一个对象满足上述条件的时候，不会马上被回收，还需要进行两次标记;第一次标记：判断当前对象是否有finalize()方法并且该方法没有被执行过，若不存在则标记为垃圾对象，等待回收;若有的话，则进行第二次标记；第二次标记将当前对象放入F-Queue队列，并生成一个finalize线程去执行该方法，虚拟机不保证该方法一定会被执行，这是因为如果线程执行缓慢或进入了死锁，会导致回收系统的崩溃；如果执行了finalize方法之后仍然没有与GCRoots有直接或者间接的引用，则该对象会被回收;

java 中的五种引用？

在这里插入图片描述

1、强引用

只要沿着 GC Root的引用链能够找到该对象，就不会被垃圾回收；只有当GC Root 都不引用该对象时，才会回收强引用对象。
换句话说就是，只要强引用存在，JVM 垃圾回收器就永远都不会回收被引用的对象，即使内存不足，JVM 会抛出 OutOfMemoryError。

比如，new 一个对象 Student ，将对象 Student 通过=(赋值运算符)，赋值给变量 stu，则变量 stu就强引用了对象 Student。

// 只要 stu 指向 Student 对象，那它就是强引用，永远都不会被 JVM 回收
Student stu = new Student();
// 如果将 stu 置为 null，可以切断 GC Root 引用链，这样 stu 就会被 JVM 回收
stu = null;

2、软引用

如果仅有软引用引用某个对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收，回收软引用对象。即，在内存足够时，JVM 不会回收软引用对象，但当内存不足时，软引用对象就会被回收，所以软引用对象通常用来描述一些非必要但仍有用的对象。

// 不直接通过 list 引用 byte[]
// list -----> SoftReference -----> byte[] 添加了一层软引用:
List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();

如果想要清理软引用，需要使用引用队列

public class Demo1 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		final int _4M = 4*1024*1024;
		//使用引用队列，用于移除引用为空的软引用对象
		ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
		//使用软引用对象 list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
		List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
		SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M], queue);

		//遍历引用队列，如果有元素，则移除
		Reference<? extends byte[]> poll = queue.poll();
		while(poll != null) {
    
    
			//引用队列不为空，则从集合中移除该元素
			list.remove(poll);
			//移动到引用队列中的下一个元素
			poll = queue.poll();
		}
	}
}

3、弱引用

弱引用是较软引用更低一级的引用，如果仅有弱引用引用某个对象，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用所引用的对象。

List<WeakReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();

4、虚引用

虚引用必须配合引用队列使用，主要配合 ByteBuffer 使用，引用对象被回收时，会将虚引用入队，然后调用虚引用相关方法（Unsafe.freeMemory()）释放直接内存。

5、终结器引用

所有的类都继承自Object 类，Object 类有一个finalize()方法。当某个对象不再被其他的对象所引用时，会先将终结器引用对象放入引用队列中（被引用对象暂时没有被回收），然后根据终结器引用对象找到它所引用的对象，然后调用该对象的finalize()方法。调用以后，该对象就可以被垃圾回收了。

引用队列

在回收软引用、弱引用所指向的对象时，软引用本身不会被清理。如果想要清理引用，需要使借助引用队列：

ReferenceQueue，当一个引用（软引用、弱引用）关联到了一个引用队列后，当这个引用所引用的对象要被垃圾回收时，就会将它加入到所关联的引用队列中，所以判断一个引用对象是否已经被回收的一个现象就是，这个对象的引用是否被加入到了它所关联的引用队列。

ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
SoftReference<byte[]> ref = new SoftReference<>(new byte[_4MB], queue);
12

说到底，引用队列就是一个对引用的回收机制，当软引用或弱引用所包装的对象为 null 或被回收时，这个引用也就不在具有价值，引用队列就是清除掉这部分引用的一种回收机制。

软引用和弱引用可以配合引用队列(也可以不配合)：在弱引用和虚引用所引用的对象被回收以后，会将这些引用放入引用队列中，方便一起回收这些软/弱引用对象。
虚引用和终结器引用必须配合引用队列： 虚引用和终结器引用在使用时会关联一个引用队列。

参考
https://csp1999.blog.csdn.net/article/details/117318685
https://blog.csdn.net/qq_45966440/article/details/121308864
https://blog.csdn.net/yanpenglei/article/details/119684369