Java【虚拟机】面试题

Java【虚拟机】面试题

什么是虚拟机/h2>

Java 虚拟机，是一个可以执行 Java 字节码的虚拟机进程。Java 源文件被编译成能被 Java 虚拟机执行的字节码文件( )。

Java 被设计成允许应用程序可以运行在任意的平台，而不需要程序员为每一个平台单独重写或者是重新编译。Java 虚拟机让这个变为可能，因为它知道底层硬件平台的指令长度和其他特性。

但是，跨平台的是 Java 程序(包括字节码文件)，，而不是 JVM。JVM 是用 C/C++ 开发的，是编译后的机器码，不能跨平台，不同平台下需要安装不同版本的 JVM 。

• 程序计数器： Java 线程私有，类似于操作系统里的 PC 计数器，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行 指示器。如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
• 虚拟机栈（栈内存）：Java线程私有，虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的时候，都会创建一个栈帧用于存储局部变量、操作数、动态链接、方法出口等信息。每个方法调用都意味着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈 ：和 Java 虚拟机栈的作用类似，区别是该区域为 JVM 提供使用 Native 方法的服务。
• 堆内存（线程共享）：所有线程共享的一块区域，垃圾收集器管理的主要区域。目前主要的垃圾回收算法都是分代收集算法，所以 Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等，默认情况下新生代按照 的比例来分配。根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘一样。
• 方法区（线程共享）：各个线程共享的一个区域，用于存储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。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。运行时常量池：是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符 引用。

直接内存是不是虚拟机运行时数据区的一部分/strong>

直接内存(Direct Memory)，并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中农定义的内存区域。在 JDK1.4 中新加入了 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 native 函数库直接分配堆外内存，然后通脱一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

• 本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，受到本机总内存大小限制。
• 配置虚拟机参数时，不要忽略直接内存，防止出现 OutOfMemoryError 异常。

直接内存（堆外内存）与堆内存比较/strong>

1. 直接内存申请空间耗费更高的性能，当频繁申请到一定量时尤为明显。
2. 直接内存 IO 读写的性能要优于普通的堆内存，在多次读写操作的情况下差异明显。

直接内存（堆外内存）与堆内存比较/p>

直接内存申请空间耗费更高的性能，当频繁申请到一定量时尤为明显。
直接内存 IO 读写的性能要优于普通的堆内存，在多次读写操作的情况下差异明显。

JDK8 之后 Perm Space 有哪些变动MetaSpace ??默认是?限的么还是你们会通过什么?式来指定??/strong>

• JDK8 后用元空间替代了 Perm Space ；字符串常量存放到堆内存中。
• MetaSpace 大小默认没有限制，一般根据系统内存的大小。JVM 会动态改变此值。
• 可以通过 JVM 参数配置
  • ： 分配给类元数据空间（以字节计）的初始大小（Oracle 逻辑存储上的初始高水位，the initial high-water-mark）。此值为估计值，MetaspaceSize 的值设置的过大会延长垃圾回收时间。垃圾回收过后，引起下一次垃圾回收的类元数据空间的大小可能会变大。
  • ：分配给类元数据空间的最大值，超过此值就会触发Full GC 。此值默认没有限制，但应取决于系统内存的大小，JVM 会动态地改变此值。

为什么要废弃永久代/strong>

1）现实使用中易出问题。

由于永久代内存经常不够用或发生内存泄露，爆出异常 。

• 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
• 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。

2）永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

3）Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

参照 JEP122 ：http://openjdk.java.net/jeps/122 ，原文截取：

Motivation

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

即：移除永久代是为融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，不需要配置永久代。

Java 内存堆和栈区别/h2>

• 栈内存用来存储基本类型的变量和对象的引用变量；堆内存用来存储Java中的对象，无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中。
• 栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存；堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。
• 如果栈内存没有可用的空间存储方法调用和局部变量，JVM 会抛出 错误；如果是堆内存没有可用的空间存储生成的对象，JVM 会抛出 错误。
• 栈的内存要远远小于堆内存，如果你使用递归的话，那么你的栈很快就会充满。 选项设置栈内存的大小， 选项可以设置堆的开始时的大小。

当然，如果你记不住这个些，只要记住如下即可：

JVM 中堆和栈属于不同的内存区域，使用目的也不同。栈常用于保存方法帧和局部变量，而对象总是在堆上分配。栈通常都比堆小，也不会在多个线程之间共享，而堆被整个 JVM 的所有线程共享。

• Java 中对象的创建就是在堆上分配内存空间的过程，此处说的对象创建仅限于 new 关键字创建的普通 Java 对象，不包括数组对象的创建。

1）检测类是否被加载

当虚拟机遇到 指令时，首先先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符 引用，并且检查这个符 引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，就执行类加载过程。

2）为对象分配内存

类加载完成以后，虚拟机就开始为对象分配内存，此时所需内存的大小就已经确定了。只需要在堆上分配所需要的内存即可。

具体的分配内存有两种情况：第一种情况是内存空间绝对规整，第二种情况是内存空间是不连续的。

• 对于内存绝对规整的情况相对简单一些，虚拟机只需要在被占用的内存和可用空间之间移动指针即可，这种方式被称为“指针碰撞”。
• 对于内存不规整的情况稍微复杂一点，这时候虚拟机需要维护一个列表，来记录哪些内存是可用的。分配内存的时候需要找到一个可用的内存空间，然后在列表上记录下已被分配，这种方式成为“空闲列表”。

多线程并发时会出现正在给对象 A 分配内存，还没来得及修改指针，对象 B 又用这个指针分配内存，这样就出现问题了。解决这种问题有两种方案：

• 第一种，是采用同步的办法，使用 CAS 来保证操作的原子性。
• 另一种，是每个线程分配内存都在自己的空间内进行，即是每个线程都在堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB），分配内存的时候再TLAB上分配，互不干扰。可以通过 参数决定。

3）为分配的内存空间初始化零值

对象的内存分配完成后，还需要将对象的内存空间都初始化为零值，这样能保证对象即使没有赋初值，也可以直接使用。

4）对对象进行其他设置

分配完内存空间，初始化零值之后，虚拟机还需要对对象进行其他必要的设置，设置的地方都在对象头中，包括这个对象所属的类，类的元数据信息，对象的 hashcode ，GC 分代年龄等信息。

5）执行 init 方法

执行完上面的步骤之后，在虚拟机里这个对象就算创建成功了，但是对于 Java 程序来说还需要执行 init 方法才算真正的创建完成，因为这个时候对象只是被初始化零值了，还没有真正的去根据程序中的代码分配初始值，调用了 init 方法之后，这个对象才真正能使用。

到此为止一个对象就产生了，这就是 new 关键字创建对象的过程。过程如下：

直接指针访问：Java 堆对象的不居中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址。

缺点：

1、效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高。

2、空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大的对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

2）标记-整理算法

标记整理算法，类似与标记清除算法，不过它标记完对象后，不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

• 图的上半部分是未回收前的内存区域，图的下半部分是回收后的内存区域。通过图，我们发现不管回收前还是回收后都有一半的空间未被利用。
• 优点：
  • 1、效率高，没有内存碎片。
• 缺点：
  • 1、浪费一半的内存空间。
  • 2、复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。

4）分代收集算法

当前商业虚拟机都是采用分代收集算法，它根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，然后根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

• 在新生代中，每次垃圾收集都发现有大批对象死去，只有少量存活，就选用复制算法。
• 而老年代中，因为对象存活率高，没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记清理”或者“标记整理”算法来进行回收。

为什么新生代内存需要有两个 Survivor 区/strong>

详细的原因，可以看 《为什么新生代内存需要有两个 Survivor 区》 文章。

什么是新生代 GC 和老年代 GC/strong>

GC 经常发生的区域是堆区，堆区还可以细分为

• 第一个阶段，加载(Loading)，是找到 文件并把这个文件包含的字节码加载到内存中。

• 第二阶段，连接(Linking)，又可以分为三个步骤，分别是字节码验证、Class 类数据结构分析及相应的内存分配、最后的符 表的解析。

• 第三阶段，Initialization(类中静态属性和初始化赋值)，以及Using(静态块的执行)等。

  注意，不包括卸载(Unloading)部分。

1）加载

加载是“类加载”过程的第一阶段，胖友不要混淆这两个名字。

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
• 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
• 在Java堆中生成一个代表这个类的 对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个 类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2）加载

2.1 验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范。例如：是否以 开头、主次版本 是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
• 元数据验

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