jvm

Coding求生存
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1.知识点详解：

  1. JVM内存模型简介

JVM定义了不同运行时数据区。某些区域随着JVM启动及销毁，另外一些区域的数据是线程性独立的，随着线程创建和销毁。可以分为两大部分，线程私有区和共享区。

  1. JVM内存模型：

线程私有:栈,本地方法栈,程序计数器

线程共享:堆,方法区

  1. 栈： 线程私有的,线程执行方法是都会创建一个栈阵,用来存储局部变量表,操作栈,动态链接,方法出口等信息.调用方法时执行入栈,方法返回式执行出栈.

  1. 本地方法栈：与栈类似,用来保存执行方法的信息.执行Java方法是使用栈,执行Native方法时使用本地方法栈.
  2. 程序计数器: 保存着当前线程执行的字节码位置,每个线程工作时都有独立的计数器,只为执行Java方法服务,执行Native方法时,程序计数器为空.
  1. 堆: 线程共享,存放对象的实例, 当堆没有可用空间时,会抛出OOM异常.根据对象的存活周期不同,JVM把对象进行分代管理,由垃圾回收器进行垃圾的回收管理

Young Generation 即图中的Eden + From Space（s0） + To Space(s1)

Eden 存放新生的对象

Survivor Space 有两个，存放每次垃圾回收后存活的对象(s0+s1)

Old Generation Tenured Generation 即图中的Old Space 主要存放应用程序中生命周期长的存活对象

  1. 方法区： 存储已被虚拟机加载的类信息,常量,静态变量,即时编译器优化后的代码等数据.1.7的永久代和1.8的元空间都是方法区的一种实现
  1. JVM内存可见性: JMM是定义程序中变量的访问规则,线程对于变量的操作只能在自己的工作内存中进行,而不能直接对主内存操作.由于指令重排序,读写的顺序会被打乱,因此JMM需要提供原子性,可见性,有序性保证.

2.说说堆和栈的区别

功能方面：堆是用来存放对象的，栈是用来执行程序的。

共享性：堆是线程共享的，栈是线程私有的。

空间大小：堆大小远远大于栈。

3.什么时候会触发FullGC

  1. 调用System.gc()

只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存。

  1. 未指定老年代和新生代大小，堆伸缩时会产生fullgc,所以一定要配置-Xmx、-Xms
  2. 老年代空间不足

老年代空间不足的常见场景比如大对象、大数组直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等。

为了避免以上原因引起的 Full GC，应当尽量不要创建过大的对象以及数组。

除此之外，可以通过 -Xmn 虚拟机参数调大新生代的大小，让对象尽量在新生代被回收掉，不进入老年代。

还可以通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调大对象进入老年代的年龄，让对象在新生代多存活一段时间。

在执行Full GC后空间仍然不足，则抛出错误：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

  1. JDK 1.7 及以前的（永久代）空间满

在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些 Class 的信息、常量、静态变量等数据。

当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，在未配置为采用 CMS GC 的情况下也会执行 Full GC。

如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么虚拟机会抛出 java.lang.OutOfMemoryError PermGen space

为避免以上原因引起的 Full GC，可采用的方法为增大Perm Gen或转为使用 CMS GC。

  1. 空间分配担保失败

空间担保，下面两种情况是空间担保失败：

  1. 每次晋升的对象的平均大小 > 老年代剩余空间
  2. Minor GC后存活的对象超过了老年代剩余空间

注意GC日志中是否有promotion failed和concurrent mode failure两种状况，当出现这两种状况的时候就有可能会触发Full GC。

promotion failed 是在进行 Minor GC时候，survivor space空间放不下只能晋升老年代，而此时老年代也空间不足时发生的。

concurrent mode failure 是在进行CMS GC过程，此时有对象要放入老年代而空间不足造成的，这种情况下会退化使用Serial Old收集器变成单线程的，此时是相当的慢的。

怎么调优

围绕一个点，策略就是尽量把对象在新生代使用回收，减少晋升老年代的几率

4.什么是Java虚拟机？为什么Java被称作是“平台无关的编程语言”？

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。

5.说说对象分配规则

  1. 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
  2. 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
  1. 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次 Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。
  2. 动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
  1. 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

6.说说Java对象创建过程

  1. 当JVM遇到一条新建对象的指令时首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定义到一个类的符号引用。然后加载这个类（类加载过程在后边讲）
  1. 为对象分配内存。一种办法“指针碰撞”、一种办法“空闲列表”，最终常用的办法“本地线程缓冲分配(TLAB)”
  2. 将除对象头外的对象内存空间初始化为0
  1. 对对象头进行必要设置

7.简述Java的对象结构

Java对象由三个部分组成：对象头、实例数据、对齐填充。

  • 对象头由两部分组成，第一部分存储对象自身的运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁标识状态、线程持有的锁、偏向线程ID（一般占32/64 bit）。第二部分是指针类型，指向对象的类元数据类型 （即对象代表哪个类） 。如果是数组对象，则对象头中还有一部分用来记录数组长度。

  • 实例数据用来存储对象真正的有效信息（包括父类继承下来的和自己定义的）
  • 对齐填充：JVM要求对象起始地址必须是8字节的整数倍（8字节对齐）

8.如何判断对象可以被回收？

判断对象是否存活一般有两种方式：

  1. 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
  2. 可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。

在 java 中可以作为 GC Roots 的对象有以下几种:

    • 虚拟机栈中引用的对象
    • 本地方法栈 JNI 引用的对象
    • 方法区类静态属性引用的对象
    • 方法区常量池引用的对象

9.JVM的永久代中会发生垃圾回收么？

垃圾回收不会发生在永久代，如果永久代满了或者是超过了临界值，会触发完全垃圾回收(Full GC)。 如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息，就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。请参考下Java8：从永久代到元数据区 (注：Java8中已经移除了永久代，新加了一个叫做元数据区的native内存区)

10.你知道哪些垃圾收集算法

GC最基础的算法有三种： 标记 -清除算法、复制算法、标记-整理算法，我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

  • 标记 -清除算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
  • 复制算法，“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次 只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后 再把已使用过的内存空间一次清理掉。
  • 标记-整理算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤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，然后直接清理掉端边界以外的内存
  • 分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

11.调优命令有哪些？

Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo

  • jps，JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
  • jstat，JVM statistics Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令，它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
  • jmap，JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件
  • jhat，JVM Heap Analysis Tool命令是与jmap搭配使用，用来分析jmap生成的dump，jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器，生成dump的分析结果后，可以在浏览器中查看
  • jstack，用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
  • jinfo，JVM Confifiguration info 这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数。

12.常见调优工具有哪些

常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm，第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto。

  • jconsole，Java Monitoring and Management Console是从java5开始，在JDK中自带的java监控和管理控制台，用于对JVM中内存，线程和类等的监控
  • jvisualvm，jdk自带全能工具，可以分析内存快照、线程快照；监控内存变化、GC变化等。
  • MAT，Memory Analyzer Tool，一个基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Java heap分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
  • GChisto，一款专业分析gc日志的工具

13.Minor GC与Full GC分别在什么时候发生？

新生代内存不够用时候发生MGC也叫YGC，JVM内存不够的时候发生FGC

14.你知道哪些JVM性能调优参数？（简单版回答）

设定堆内存大小

-Xmx：堆内存最大限制。

设定新生代大小。 新生代不宜太小，否则会有大量对象涌入老年代

-XX:NewSize：新生代大小

-XX:NewRatio 新生代和老生代占比

-XX:SurvivorRatio：伊甸园空间和幸存者空间的占比

设定垃圾回收器

年轻代用 -XX:+UseParNewGC

年老代用-XX:+UseConcMarkSweepGC

15.对象一定分配在堆中吗？了解逃逸分析技术吗？

不一定的，JVM通过逃逸分析，那些逃不出方法的对象会在栈上分配。

什么是逃逸分析？

逃逸分析(Escape Analysis)，是一种可以有效减少Java 程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围，从而决定是否要将这个对象分配到堆上。

逃逸分析是指分析指针动态范围的方法，它同编译器优化原理的指针分析和外形分析相关联。当变量（或者对象）在方法中分配后，其指针有可能被返回或者被全局引用，这样就会被其他方法或者线程所引用，这种现象称作指针（或者引用）的逃逸(Escape)。通俗点讲，如果一个对象的指针被多个方法或者线程引用时，那么我们就称这个对象的指针发生了逃逸。

逃逸分析的好处

  • 栈上分配，可以降低垃圾收集器运行的频率。
  • 同步消除，如果发现某个对象只能从一个线程可访问，那么在这个对象上的操作可以不需要同步。
  • 标量替换，把对象分解成一个个基本类型，并且内存分配不再是分配在堆上，而是分配在栈上。这样的好处有，
    • 减少内存使用，因为不用生成对象头。
    • 程序内存回收效率高，并且GC频率也会减少。

16.虚拟机为什么使用元空间替换了永久代？

为了解决不确定方法区大小而造成oom（避免OOM异常） 。因为通常使用PermSize和MaxPermSize设置永久代的大小就决定了永久代的上限，但是不是总能知道应该设置为多大合适, 如果使用默认值很容易遇到OOM错误。当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制啦。

17.什么是Stop The World ? 什么是OopMap？什么是安全点？

进行垃圾回收的过程中，会涉及对象的移动。为了保证对象引用更新的正确性，必须暂停所有的用户线程，像这样的停顿，描述为Stop The World。也简称为STW。

在HotSpot中，有个数据结构（映射表）称为OopMap。一旦类加载动作完成的时候，HotSpot就会把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，记录到OopMap。在即时编译过程中，也会在特定的位置生成 OopMap，记录下栈上和寄存器里哪些位置是引用。

这些特定的位置主要在：

  1. 循环的末尾（非 counted 循环）
  2. 方法临返回前 / 调用方法的call指令后
  1. 可能抛异常的位置

这些位置叫作安全点(safepoint) 。用户程序执行时并非在代码指令流的任意位置都能够在停顿下来开始垃圾收集，而是必须是执行到安全点才能够暂停。

18.说一下JVM 的主要组成部分及其作用？

JVM包含两个子系统和两个组件，分别为

  • Class loader(类装载子系统)
  • Execution engine(执行引擎子系统)；
  • Runtime data area(运行时数据区组件)
  • Native Interface(本地接口组件)。

首先通过编译器把 Java源代码转换成字节码，Class loader(类装载)再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

19.什么是指针碰撞？ （标记整理算法的垃圾回收器）

一般情况下，JVM的对象都放在堆内存中（发生逃逸分析除外）。当类加载检查通过后，Java虚拟机开始为新生对象分配内存。如果Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的的内存都被放到一边，空闲的内存放到另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，所分配内存仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的实例，这种分配方式就是指针碰撞 。

20.什么是空闲列表？ （标记清除算法的垃圾回收器）

如果Java堆内存中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，不可以进行指针碰撞啦，虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存是可用的，在分配的时候从列表找到一块大的空间分配给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式就是空闲列表。

21.什么是TLAB？

可以把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,这就是TLAB（Thread Local Allocation Buffffer，本地线程分配缓存） 。虚拟机通过-XX:UseTLAB 设定它的。

22.你知道哪些JVM调优参数？

「堆栈内存相关」

  • -Xms 设置初始堆的大小
  • -Xmx 设置最大堆的大小
  • -Xmn 设置年轻代大小，相当于同时配置-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize为一样的值
  • -Xss 每个线程的堆栈大小
  • -XX:NewSize 设置年轻代大小(for 1.3/1.4)
  • -XX:MaxNewSize 年轻代最大值(for 1.3/1.4)
  • -XX:NewRatio 年轻代与年老代的比值(除去持久代)
  • -XX:SurvivorRatio Eden区与Survivor区的的比值
  • -XX:PretenureSizeThreshold 当创建的对象超过指定大小时，直接把对象分配在老年代。
  • -XX:MaxTenuringThreshold设定对象在Survivor复制的最大年龄阈值，超过阈值转移到老年代

「垃圾收集器相关」

  • -XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。
  • -XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。
  • -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行5次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

「辅助信息相关」

-XX:+PrintGCDetails 打印GC详细信息

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError让JVM在发生内存溢出的时候自动生成内存快照,

排查问题用

-XX:+DisableExplicitGC禁止系统System.gc()，防止手动误触发FGC造成问题.

-XX:+PrintTLAB 查看TLAB空间的使用情况

23.说一下 JVM 有哪些垃圾回收器？

如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了 7种作用于不同分代的收集器，其中用于回收新生代的收集器包括Serial、PraNew、Parallel Scavenge， 回收老年代的收集器包括Serial Old、Parallel Old、CMS，还有用于回收整个Java堆的 G1收集器。不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用。

  • Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；
  • ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核 CPU环境下有着比Serial更好的表现；
  • Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；
  • Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；
  • Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；
  • CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。
  • G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

新生代收集器：Serial、 ParNew 、 Parallel Scavenge

老年代收集器： CMS、Serial Old、Parallel Old

整堆收集器： G1

24.如何选择垃圾收集器？

  1. 如果你的堆大小不是很大（比如 100MB），选择串行收集器一般是效率最高的。

参数： -XX:+UseSerialGC 。

  1. 如果你的应用运行在单核的机器上，或者你的虚拟机核数只有单核，选择串行收集器依然是合适的，这时候启用一些并行收集器没有任何收益。

参数： -XX:+UseSerialGC 。

  1. 如果你的应用是“吞吐量”优先的，并且对较长时间的停顿没有什么特别的要求。选择并行收集器是比较好的。

参数： -XX:+UseParallelGC 。

  1. 如果你的应用对响应时间要求较高，想要较少的停顿。甚至 1 秒的停顿都会引起大量的请求失败，那么选择 G1 、 ZGC 、 CMS 都是合理的。虽然这些收集器的 GC 停顿通常都比较短，但它需要一些额外的资源去处理这些工作，通常吞吐量会低一些。

参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC 、

-XX:+UseG1GC 、

-XX:+UseZGC 等。

从上面这些出发点来看，我们平常的 Web 服务器，都是对响应性要求非常高的。选择性其实就集中在 CMS 、 G1 、 ZGC 上。而对于某些定时任务，使用并行收集器，是一个比较好的选择。

25.什么是类加载器？

类加载器是一个用来加载类文件的类。Java 源代码通过 javac 编译器编译成类文件。然后 JVM 来执行类文件中的字节码来执行程序。类加载器负责加载文件系统、网络或其他来源的类文件。

26.说说类加载与卸载

类的生命周期包括这几个部分，加载、连接、初始化、使用和卸载

加载过程

其中验证,准备,解析合称链接

  1. 加载 通过类的完全限定名,查找此类字节码文件,利用字节码文件创建Class对象.
  2. 验证 确保Class文件符合当前虚拟机的要求,不会危害到虚拟机自身安全.
  1. 准备 进行内存分配,为static修饰的类变量分配内存,并设置初始值(0或null).不包含final修饰的静态变量,因为final变量在编译时分配.
  2. 解析 将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程.直接引用为直接指向目标的指针或者相对偏移量等.
  1. 初始化主要完成静态块执行以及静态变量的赋值.先初始化父类,再初始化当前类.只有对类主动使用时才会初始化.

触发条件包括,创建类的实例时,访问类的静态方法或静态变量的时候,使用Class.forName反射类的时候,或者某个子类初始化的时候.

Java自带的加载器加载的类,在虚拟机的生命周期中是不会被卸载的,只有用户自定义的加载器加载的类才可以被卸载.

1、加载机制-双亲委派模式

双亲委派模式,即加载器加载类时先把请求委托给自己的父类加载器执行,直到顶层的启动类加载器. 父类加载器能够完成加载则成功返回,不能则子类加载器才自己尝试加载.*

优点:

1. 避免类的重复加载

2. 避免Java的核心API被篡改

27.什么是 tomcat 类加载机制？

在 tomcat 中类的加载稍有不同，如下图：

当 tomcat启动时，会创建几种类加载器：

  • Bootstrap 引导类加载器:加载 JVM启动所需的类，以及标准扩展类（位于 jre/lib/ext 下）
  • System 系统类加载器:加载 tomcat 启动的类，比如bootstrap.jar，通常在 catalina.bat 或者catalina.sh 中指定。位于 CATALINA_HOME/bin 下。

  • Common 通用类加载器
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