由浅入深的JVM与垃圾回收面试题及解析

用户1739972217838
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问题1：简述JVM的垃圾回收机制，核心流程是什么？

回答：
JVM的垃圾回收（GC）是自动管理内存的核心机制。其核心流程分为三步：

  1. 标记（Marking）  ：通过可达性分析算法（根搜索算法），从GC Roots（如虚拟机栈引用的对象、静态属性等）出发，标记所有存活对象。
  2. 清除（Sweeping）  ：回收未被标记的对象占用的内存空间。不同区域（如新生代、老年代）采用不同算法，例如新生代常用复制算法，老年代用标记-清除或标记-整理。
  3. 整理（Compacting）  （可选）：对内存空间进行整理以减少碎片（如标记-整理算法）。
    GC由JVM的守护线程自动触发，程序无法强制控制，只能通过System.gc()建议执行，但无法保证立即回收。

问题2：如何判断对象是否可以被回收？引用计数和可达性分析的区别是什么？

回答：
判断对象可回收的两种经典方法：

  1. 引用计数法：为每个对象维护引用计数器，当引用为0时回收。但无法解决循环引用问题（如对象A引用B，B引用A）。
  2. 可达性分析法（根搜索算法）  ：从GC Roots（如虚拟机栈、静态变量、JNI引用等）出发，遍历对象引用链，未被引用的对象标记为可回收。这是JVM的实际实现方式。
    区别：引用计数法实现简单但存在循环引用缺陷；可达性分析更复杂但能彻底解决循环引用问题。

问题3：JVM的分代垃圾回收机制是如何设计的？为什么需要分代？

回答：
JVM将堆内存划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），并采用分代回收策略：

  1. 新生代：存放生命周期短的对象，分为Eden区和两个Survivor区（S0/S1）。采用复制算法：

    • 对象先在Eden分配，Minor GC时存活对象复制到Survivor区，年龄+1。
    • 年龄达到阈值（默认15）后晋升到老年代。

  2. 老年代：存放长期存活对象和大对象，采用标记-清除或标记-整理算法。
    分代原因：不同对象生命周期差异大，分代可针对性优化GC效率。新生代GC频繁但速度快，老年代GC次数少但耗时长。

问题4：常见的垃圾收集器有哪些？CMS和G1的区别是什么？

回答：
常见收集器及特点：

  • Serial/ParNew：单线程/多线程新生代收集器，适用于客户端模式。
  • CMS（Concurrent Mark Sweep）  ：以最短停顿为目标的老年代收集器，采用标记-清除算法，分四阶段：初始标记（STW）、并发标记、重新标记（STW）、并发清除。但存在内存碎片问题。
  • G1（Garbage-First）  ：面向服务端的全堆收集器，将堆划分为多个Region，采用标记-整理算法，可预测停顿时间，兼顾吞吐量和低延迟。
    CMS vs G1：
  • CMS仅用于老年代，G1管理整个堆。
  • CMS产生内存碎片，G1通过Region间复制整理减少碎片。
  • G1可设定最大停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis），CMS无此能力。

问题5：如何通过JVM调优减少Full GC的频率？

回答：
优化方向包括：

  1. 合理分配堆内存：

    • 增大新生代比例（-Xmn），避免过早晋升到老年代。
    • 避免大对象直接进入老年代（-XX:PretenureSizeThreshold）。

  2. 优化GC策略：

    • 老年代使用G1替代CMS，减少碎片和Full GC触发。
    • 启用空间分配担保（-XX:+HandlePromotionFailure）避免晋升失败。

  3. 监控与日志分析：

    • 通过-Xlog:gc*输出详细GC日志，分析Full GC触发原因（如老年代不足、元空间溢出）。
    • 使用工具（如JVisualVM、Arthas）监控内存泄漏。

案例：某应用频繁Full GC，发现是因年轻代过小导致对象快速晋升。调整-Xmn增大新生代，并改用G1收集器后，Full GC频率下降90%。

问题6：强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别及使用场景？

回答：

  • 强引用（Strong Reference）：普遍使用的引用（如Object obj = new Object()），只要存在强引用，对象不会被回收。
  • 软引用（Soft Reference）：内存不足时回收，适合缓存（如图片缓存）。
  • 弱引用（Weak Reference）：无论内存是否充足，GC时立即回收，适用于弱缓存（如WeakHashMap）。
  • 虚引用（Phantom Reference）：无法通过虚引用访问对象，主要用于跟踪对象被回收的状态（如DirectByteBuffer的堆外内存释放）。

问题7：什么是Stop-The-World（STW）？如何减少STW时间？

回答：

  • STW：GC过程中暂停所有用户线程，导致应用停顿。所有GC算法均会触发STW，但时间长短不同。

  • 优化方法：

    1. 选择低停顿收集器（如G1、ZGC）。
    2. 减少堆大小（需平衡OOM风险）。
    3. 避免Full GC：优化代码减少大对象、调整分代比例。
    4. 启用并发标记（如CMS的并发标记阶段）。

问题8：如何排查OOM（OutOfMemoryError）问题？

回答：
步骤：

  1. 分析错误日志：确定是堆溢出（java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space）、元空间溢出（Metaspace）还是栈溢出。

  2. 内存快照：

    • 添加-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数生成堆转储文件。
    • 使用MAT（Memory Analyzer Tool）分析对象占用。

  3. 代码检查：

    • 检查是否有内存泄漏（如未关闭资源、集合对象未清理）。
    • 确认JVM参数是否合理（如-Xmx设置过小）。

案例：某服务OOM，MAT分析发现是本地缓存使用强引用未清理，改用软引用后问题解决

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