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前言
本篇主要记录了JVM相关的面试问题涉及到的知识点透析，如JVM内存模型，垃圾回收算法，垃圾回收器，三色标记问题，类加载，双亲委派，finalize的理解等等，后续遇到新的面试题会继续完善并补充详细，最后感谢您的阅览，愿您终有所获
基础篇地址： java面试准备之基础篇
并发篇地址： java面试准备之并发篇
JVM的内存结构
Java Source 和 Java Class 分别是java的源代码 和 编译之后的字节码文件
- 执行 javac 命令编译源代码为字节码
- 执行 java 命令
- 创建 JVM，调用类加载子系统加载 class，将类的信息存入方法区
- 创建 main 线程，使用的内存区域是 JVM 虚拟机栈，开始执行 main 方法代码
- 如果遇到了未见过的类，会继续触发类加载过程，同样会存入方法区
- 需要创建对象，会使用堆内存来存储对象
- 不再使用的对象，会由垃圾回收器在内存不足时回收其内存
- 调用方法时，方法内的局部变量、方法参数所使用的是 JVM 虚拟机栈中的栈中内存
- 调用方法时，先要到方法区获得到该方法的字节码指令，由解释器将字节码指令解释为机器码执行
- 调用方法时，会将要执行的指令行号读到程序计数器，这样当发生了线程切换，恢复时就可以从中断的位置继续
- 对于非 java 实现的方法调用，使用内存称为本地方法栈
- 对于热点方法调用，或者频繁的循环代码，由 JIT 即时编译器将这些代码编译成机器码缓存，提高执行性能
说明： 加粗字体代表了 JVM 虚拟机组件
对于 Oracle 的 Hotspot 虚拟机实现，不区分虚拟机栈和本地方法栈
线程私有：
- 程序计数器
- 虚拟机栈
线程共享：
- 堆
- 方法区
JVM哪些部分会发生内存溢出
不会出现内存溢出的区域 – 程序计数器
除了程序计数器不会出现内存溢出，其他部分都有可能出现内存溢出
一. OutOfMemoryError 的情况
- 堆内存耗尽 –——对象越来越多，又一直在使用，不能被垃圾回收
- 方法区内存耗尽 –—— 加载的类越来越多，很多框架都会在运行期间动态产生新的类
- 虚拟机栈累积 –—— 每个线程最多会占用 1 M 内存，线程个数越来越多，而又长时间运行不销毁时
二. 出现 StackOverflowError 的区域
- JVM 虚拟机栈，原因有方法递归调用未正确结束、反序列化 json 时循环引用
方法区、永久代、元空间三者之间的关系
- 方法区是 JVM 规范中定义的一块内存区域，用来存储类元数据、方法字节码、即时编译器需要的信息等
- 永久代是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的实现（1.8 之前）
- 元空间是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的另一种实现（1.8 以后），使用本地内存作为这些信息的存储空间
下面是元空间的解析说明
从上图的类加载流程，及元空间何时加载数据可以看出
- 当第一次用到某个类是，由类加载器将 class 文件的类元信息读入，并存储于元空间
- X，Y 的类元信息是存储于元空间中，无法直接访问
- 可以用 X.class，Y.class 间接访问类元信息，它们俩属于 java 对象，我们的代码中可以使用
下面是回收数据的流程
从这张图可以看到
- 堆内存中：当一个类加载器对象，这个类加载器对象加载的所有类对象，这些类对象对应的所有实例对象都没人引用时，GC 时就会对它们占用的对内存进行释放
- 元空间中：内存释放以类加载器为单位，当堆中类加载器内存释放时，对应的元空间中的类元信息也会释放
JVM内存参数
- -Xms 最小堆内存（包括新生代和老年代）
- -Xmx 最大对内存（包括新生代和老年代）
- 通常建议将 -Xms 与 -Xmx 设置为大小相等，即不需要保留内存，不需要从小到大增长，这样性能较好
- -XX:NewSize 与 -XX:MaxNewSize 设置新生代的最小与最大值，但一般不建议设置，由 JVM 自己控制
- -Xmn 设置新生代大小，相当于同时设置了 -XX:NewSize 与 -XX:MaxNewSize 并且取值相等
- 保留是指，一开始不会占用那么多内存，随着使用内存越来越多，会逐步使用这部分保留内存。下同
对于下面这题，来练习一下上面提到的参数
答案：最小内存值为10G，Survivor区总大小是2G——2048m
JVM垃圾回收算法
1.标记清除法
- 找到 GC Root 对象，即那些一定不会被回收的对象，如正执行方法内局部变量引用的对象、静态变量引用的对象
- 标记阶段：沿着 GC Root 对象的引用链找，直接或间接引用到的对象加上标记
- 清除阶段：释放未加标记的对象占用的内存
特点：
- 标记速度与存活对象线性关系
- 清除速度与内存大小线性关系
- 缺点是会产生内存碎片
2.标记整理
- 和前面的标记阶段、清理阶段与标记清除法类似
- 只是多了一步整理的动作，将存活对象向一端移动，可以避免内存碎片产生
特点：
-
标记速度与存活对象线性关系
-
清除与整理速度与内存大小成线性关系
-
缺点是性能上较慢
适合垃圾少的，不用多次移动，适合老年代
这里有一个点，我被问到过，在此说明一下
标记整理算法会移动存活对象的位置，为了避免位置改变，无法再此访问；移动过程中会有一个表，存的是各种数据在内存中的引用，整理时，会把调整的引用地址信息更新到这个表中，移动过程中，需要全程暂停用户应用程序STW
3.标记复制
- 将整个内存分成两个大小相等的区域，from 和 to，其中 to 总是处于空闲，from 存储新创建的对象
- 标记阶段与前面的算法类似
- 在找出存活对象后，会将它们从 from 复制到 to 区域，复制的过程中自然完成了碎片整理
- 复制完成后，交换 from 和 to 的位置即可
特点：
- 标记与复制速度与存活对象成线性关系
- 缺点是会占用成倍的空间，毕竟是以空间换时间
但是它不适合老年代的垃圾回收，老年代是存活对象比较多，垃圾对象比较少，这样每次垃圾回手都会进行很多次从form复制到to，也影响了性能
From和To就是Survivor区中的一块
总结：标记整理算法适合老年代的垃圾回收，标记复制算法适合新生代的垃圾回收
说说GC和分代回收算法
GC 的目的在于实现无用对象内存自动释放，减少内存碎片、加快分配速度
GC 要点：
- 回收区域是堆内存，不包括虚拟机栈
- 判断无用对象，使用可达性分析算法（以一定不会回收的对象为根，沿着根对象找，找到了的对象加上标记），三色标记法标记存活对象，回收未标记对象
- GC 具体的实现称为垃圾回收器
- GC 大都采用了分代回收思想
- 理论依据是大部分对象朝生夕灭，用完立刻就可以回收，另有少部分对象会长时间存活，每次很难回收
- 根据这两类对象的特性将回收区域分为新生代和老年代，新生代采用标记复制法、老年代一般采用标记整理法
- 根据 GC 的规模可以分成 Minor GC，Mixed GC，Full GC
分代回收
下面是B站上黑马满一航老师的分代回收的分析流程，超级详细，看一遍就懂。
经过下面的分代回收的流程，会对这些新生代，伊甸园等名字有了新的理解，也会感概起名的人实在是太优雅了
1.伊甸园 eden，最初对象都分配到这里，与幸存区 survivor（分成 from 和 to）合称新生代。
2.当伊甸园内存不足，标记伊甸园与 from（现阶段没有）的存活对象
3.将存活对象采用复制算法复制到 to 中，复制完毕后，伊甸园和 from 内存都得到释放
4.将 from 和 to 交换位置
5.经过一段时间后伊甸园的内存又出现不足
6.标记伊甸园与 from（现阶段没有）的存活对象
7.将存活对象采用复制算法复制到 to 中
8.复制完毕后，伊甸园和 from 内存都得到释放
9.将 from 和 to 交换位置
10.老年代 old，当幸存区对象熬过几次回收（最多15次），晋升到老年代（幸存区内存不足或大对象（免得拷贝来拷贝去，浪费更多时间）会导致提前晋升）
GC 规模
-
Minor GC 发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短
-
Mixed GC 新生代 + 老年代部分区域的垃圾回收，G1 收集器特有
-
Full GC 新生代 + 老年代完整垃圾回收，暂停时间长，应尽力避免
三色标记与并发漏标的问题
前面对从根对象找到的对象添加标记，这个添加标记的动作不是一次完成的，而是需要一个过程的
用三种颜色记录对象的标记状态
- 黑色 – 已标记（表示沿着根对象引用已经找到了该对象了，而且该对象内部的其他引用也处理完毕了）
- 灰色 – 标记中（表示沿着根对象引用已经找到了该对象了，但该对象内部的其他引用还未被处理完成，正在处理中）
- 白色 – 还未标记（表示未被处理的）
并发漏标问题
比较先进的垃圾回收器都支持并发标记，即在标记过程中，用户线程仍然能工作。但这样带来一个新的问题，如果用户线程修改了对象引用，那么就存在漏标问题。
场景如下图
1.如图所示标记工作尚未完成
2.用户线程同时在工作，断开了第一层 3、4 两个对象之间的引用，这时对于正在处理 3 号对象的垃圾回收线程来讲，它会将 4 号对象当做是白色垃圾
3.但如果其他用户线程又建立了 2、4 两个对象的引用，这时因为 2 号对象是黑色已处理对象了，因此垃圾回收线程不会察觉到这个引用关系的变化，从而产生了漏标
4.如果用户线程让黑色对象引用了一个新增对象，一样会存在漏标问题
因此对于并发标记而言，必须解决漏标问题，也就是要记录标记过程中的变化。
有两种解决方法：
-
Incremental Update 增量更新法，CMS 垃圾回收器采用
- 思路是拦截每次赋值动作，只要赋值发生，被赋值的对象就会被记录下来（也就是标为黑色的那个），等所有标记操作做完了，必须stop the world（STW）让线程停止，对标记过程中记录的对象再做一遍处理，在重新标记阶段再确认一遍
-
Snapshot At The Beginning，SATB 原始快照法，G1 垃圾回收器采用
- 思路也是拦截每次赋值动作，不过记录的对象不同，也需要在重新标记阶段对这些对象二次处理
- 新加对象会被记录
- 被删除引用关系的对象（也就是白色的那个对象）也被记录
垃圾回收器
垃圾回收器 - Parallel GC（并行GC）
-
eden 内存不足发生 Minor GC，采用标记复制算法，需要暂停用户线程
-
old 内存不足发生 Full GC，采用标记整理算法，需要暂停用户线程
-
注重吞吐量
并行GC名字由来，虽然在新生代和老年代都会调用STW，但是暂停时间，会使用多个线程并行完成垃圾回收。虽然有暂停，但并行回收，停止时间较短
垃圾回收器 - ConcurrentMarkSweep GC
-
它是工作在 old 老年代，支持并发标记的一款回收器，采用并发清除算法，它是用增量更新法来解决并发标记时的多标漏标问题的
- 并发标记时不需暂停用户线程
- 重新标记时仍需暂停用户线程
-
如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发 Failback Full GC （保底策略）
-
注重响应时间
垃圾回收器 - G1 GC
- 响应时间与吞吐量兼顾
- 划分成多个区域，每个区域都可以充当 eden，survivor，old， humongous，其中 humongous 专为大对象准备，因为大对象的复制成本高
- 分成三个阶段：新生代回收（伊甸园内存不足，标记复制并STW）、并发标记（老年代并发标记，重新标记需STW，对漏标问题采用原始快照法）、混合收集
- 如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发 Full GC
G1回收阶段 - 并发标记与混合收集流程，下图仍然是黑马满一航老师的图解分析，简明易懂
注：S是幸存区（Survivor)，E是伊甸园区（eden），O是老年代（Old）
①当老年代占用内存超过阈值后，触发并发标记，这时无需暂停用户线程
②并发标记之后，会有重新标记阶段解决漏标问题，此时需要暂停用户线程。这些都完成后就知道了老年代有哪些存活对象，随后进入混合收集阶段。此时不会对所有老年代区域进行回收，而是根据暂停时间目标优先回收价值高（存活对象少）的区域（这也是 Gabage First 名称的由来）也就是下图标红的O。
③ 混合收集阶段中，参与复制的有 eden、survivor、old，下图显示了伊甸园和幸存区的存活对象复制
④下图显示了老年代和幸存区晋升的存活对象的复制
⑤复制完成，内存得到释放。进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集
项目中什么时候会内存溢出，怎么解决
① 误用线程池导致的内存溢出
误用固定大小的线程池
误用带缓冲线程池
所以总结一下，不要用executors工具类中默认的线程池，很容易把握不住；防止策略，自己去使用它的构造方法，根据情况设置有大小限制
② 查询数据量太大导致的内存溢出
在项目上线后，比如一千万条的商品信息，如果编码中存在findAll()方法，会消耗大量内存，如果是多个用户都访问，调用了findAll()，用不了多久服务器内存就被耗尽
除了编码中不使用findAll()方法，还要注意，使用findAll()后面跟条件查询时，有时候条件可能会失效，所以后面一定要跟一个limit，限制查询条目数
③ 动态生成类导致的内存溢出
类加载过程三个阶段
①. 加载
-
将类的字节码载入方法区，并创建类.class 对象
-
如果此类的父类没有加载，先加载父类
-
加载是懒惰执行
②. 链接
- 验证 – 验证类是否符合 Class 规范，合法性、安全性检查
- 准备 – 为 static 变量分配空间，设置默认值
- 解析 – 将常量池的符号引用（内部类类名）解析为直接引用（类的地址）；并非初始化完成后，所有就停止了，解析步骤不是一步到位的而是一点点完成的
③. 初始化
- 静态代码块、static 修饰的变量赋值、static final 修饰的引用类型变量赋值，会被合并成一个
<cinit>方法，在初始化时被调用 - static final 修饰的基本类型变量赋值，在链接阶段就已完成
- 初始化是懒惰执行
访问static final 修饰的基本类型变量，不会导致类的加载和初始化，若是访问static final 修饰的引用类型变量既会导致类的加载也会导致类的初始化
何为双亲委派
jdk 8 的类加载器
| 名称 | 加载哪的类 | 说明 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader | JAVA_HOME/jre/lib | 无法直接访问 |
| Extension ClassLoader | JAVA_HOME/jre/lib/ext | 上级为 Bootstrap，显示为 null |
| Application ClassLoader | classpath | 上级为 Extension |
| 自定义类加载器 | 自定义 | 上级为 Application |
Bootstrap ClassLoader 启动加载器， Extension ClassLoader 扩展加载器，Application ClassLoader 应用程序加载器
双亲委派机制
所谓的双亲委派，就是指优先委派上级类加载器进行加载，如果上级类加载器
- 能找到这个类（如String.class)，由上级加载，加载后该类也对下级加载器可见，共享了
- 找不到这个类(如自己写的Student.class)，则下放下级类加载器执行加载，下级加载器加载后该类对上级加载器不可见
双亲委派的目的有两点
-
让上级类加载器中的类对下级共享（反之不行），即能让你的类能依赖到 jdk 提供的核心类
-
让类的加载有优先次序，保证核心类优先加载
自己编写类加载器就能加载一个假冒的 java.lang.System 吗? 答案是不行。
-
假设你自己的类加载器用双亲委派，那么优先由启动类加载器加载真正的 java.lang.System，自然不会加载假冒的
-
假设你自己的类加载器不用双亲委派，那么你的类加载器加载假冒的 java.lang.System 时，它需要先加载父类 java.lang.Object，而你没有用委派，找不到 java.lang.Object 所以加载会失败
-
以上也仅仅是假设。事实上操作你就会发现，自定义类加载器加载以 java. 打头的类时，会抛安全异常，在 jdk9 以上版本这些特殊包名都与模块进行了绑定，更连编译都过不了
对象的引用类型分为哪几类？
强引用
-
普通变量赋值即为强引用，如 A a = new A();
-
通过 GC Root 的引用链，如果强引用不到该对象，该对象才能被回收
软引用（SoftReference）
-
例如：SoftReference a = new SoftReference(new A());
-
如果仅有软引用该对象时，首次垃圾回收不会回收该对象，如果内存仍不足，再次回收时才会释放对象
-
软引用自身需要配合引用队列来释放
-
典型例子是反射数据
弱引用（WeakReference）
-
例如：WeakReference a = new WeakReference(new A());
-
如果仅有弱引用引用该对象时，只要发生垃圾回收，就会释放该对象
-
弱引用自身需要配合引用队列来释放
-
典型例子是 ThreadLocalMap 中的 Entry 对象
虚引用（PhantomReference）
-
例如： PhantomReference a = new PhantomReference(new A(), referenceQueue);
-
必须配合引用队列一起使用，当虚引用所引用的对象被回收时，由 Reference Handler 线程将虚引用对象入队，这样就可以知道哪些对象被回收，从而对它们关联的资源做进一步处理
-
典型例子是 Cleaner 释放 DirectByteBuffer 关联的直接内存
解释含义：当a，b对象被释放后，把它们的虚引用放入引用队列中先记住哪些对象被回收了，当它们的java中占用内存释放完，通过引用队列找到引用a，b；再将其关联的外部资源也释放掉
简单点说：你在一家公司工作，公司为了开源节流把你裁了（对象被回收），这是后勤管理人员就会把被开的人记录在一个名单上（放入引用队列），当你被开除后，把你使用的工位，电脑给还原恢复（释放外部资源）
弱，虚引用配合引用对列，目的是找到哪些java对象被回收（比如ThreadLocalMap 中的 Entry 对象的key是弱引用，会被回收掉），从而进行对它们关联的资源（key关联的value强引用）进行进一步清理，从java9开始引入了Cleaner对象
谈谈finalize的理解
finalize
- 它是 Object 中的一个方法，如果子类重写它，垃圾回收时此方法会被调用，可以在其中进行资源释放和清理工作
- 将资源释放和清理放在 finalize 方法中非常不好，非常影响性能，严重时甚至会引起 OOM，从 Java9 开始就被标注为 @Deprecated，不建议被使用了
finalize 缺点
两个非常不好的点
①无法保证资源释放：FinalizerThread 是守护线程，代码很有可能没来得及执行完，线程就结束了
②无法判断是否发生错误：执行 finalize 方法时，会吞掉任意异常（Throwable）
finalize 原理
-
对 finalize 方法进行处理的核心逻辑位于 java.lang.ref.Finalizer 类中，它包含了名为 unfinalized 的静态变量（双向链表结构），Finalizer 也可被视为另一种引用对象（地位与软、弱、虚相当，只是不对外，无法直接使用）
-
当重写了 finalize 方法的对象，在构造方法调用之时，JVM 都会将其包装成一个 Finalizer 对象，并加入 unfinalized 链表中
-
Finalizer 类中还有另一个重要的静态变量，即 ReferenceQueue 引用队列，刚开始它是空的。当狗对象可以被当作垃圾回收时，就会把这些狗对象对应的 Finalizer 对象加入此引用队列
-
但此时 Dog 对象还没法被立刻回收，因为 unfinalized -> Finalizer 这一引用链还在引用它嘛，为的是【先别着急回收啊，等我调完 finalize 方法，再回收】
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FinalizerThread 线程会从 ReferenceQueue 中逐一取出每个 Finalizer 对象，把它们从链表断开并真正调用 finallize 方法
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由于整个 Finalizer 对象已经从 unfinalized 链表中断开，这样没谁能引用到它和狗对象，所以下次 gc 时就被回收了
影响性能上
内存释放不及时：重写了 finalize 方法的对象在第一次被 gc 时，并不能及时释放它占用的内存，因为要等着 FinalizerThread 调用完 finalize，把它从 unfinalized 队列移除后，第二次 gc 时才能真正释放内存
回收时速度慢：gc本就时因为内存不足引起才执行，finalize调用又很慢（两个队列的移除操作，都是加锁串行执行的，用来释放连接类的资源也不快），不能及时释放内存，对象释放不及时就会逐步晋升到老年代，老年代垃圾积累过多又会引发full gc， full gc后释放速度如果仍然跟不上创建新对象速度就会OOM（内存溢出）
质疑对比
- 有的文章提到【Finalizer 线程会和我们的主线程进行竞争，不过由于它的优先级较低，获取到的CPU时间较少，因此它永远也赶不上主线程的步伐】这个显然是错误的，FinalizerThread 的优先级较普通线程更高（最大优先级 - 2），原因应该是 finalize 串行执行慢等原因综合导致