JVM面试题

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99 阅读22分钟

1.内存分配和回收原则

  • 大多数情况下，对象在新生代中Eden区分配，当Eden区空间不足时，虚拟机将进行一次MinorGC，将继续存活的对象存入Survivor区，并将存活的对象，年龄+1，对象在Survivor区每熬过一个Minor GC,年龄+1，年龄加到一定程度（默认值为15，可以通过-XX: MaxTeruringThresold来设置阈值。），将会将对象转入老年代。
  • 如果Eden区空间不足，虚机进行MinorGC后，将继续存活的对象存入Survivor区，但Survivor区的空间不足时，直接存入老年代。
  • 大对象（大量连续空间：数组、字符串）直接存入老年代，为了减少新生代垃圾回收的频率和成本。
    • G1垃圾回收器，通过=XX:G1HeapRegionSize设置堆区域大小和 -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent设置阈值，来决定那些对象直接入老年代
    • Parallel Scavege垃圾回收期，默认情况下，没有一个固定的阈值（XX:ThresholdTolerance是动态调整的）来决定何时直接在老年代分配大对象。而是由虚机根据当前堆内存情况和历史数据动态决定的。

2.死亡对象判断法

  • 引用计数法：给每个对象增加一个引用计数器，每当有地方引用，计数器就加1，当引用失效，计数器就减1，任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。 有个严重问题：会产生循环引用问题，无法解决。
  • 可达性分析法： 通过将一系列称为 “GC Roots”对象作为起点， 从这些结点向下搜索，结点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots没有任何引用链时，就说这个对象无引用，需要被回收。
    • 哪些对象可作为GC Roots: 虚拟机栈中引用对象、本地方法栈中引用对象、方法区中静态对象、方法区中常量、被同步锁指定的对象、JNI(java native interface)所引用的对象。

3.Java8内存结构

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  • Java 堆（heap）, 存放对象实例、数组、字符串常量池、静态变量、线程分配缓冲区
  • 虚拟机栈（Stack）,执行java方法， 存放栈帧，其中包括局部变量表，操作数栈，动态连接，方法返回地址
  • 程序计数器
  • 本地方法栈：执行native方法
  • 本地内存：方法区（元空间实现），存放类信息的版本、字段、方法、接口，常量池表（符号引用、字面量）类加载之后，进入运行时常量池。
    • 直接内存：用来提高Io效率

4.垃圾收集算法

  • 复制算法（copying）： 年轻代使用的时Minor GC. 这种GC算法采用的是复制算法（Copying)
    • MinorGC会将Eden中的所有或的对象都移动到 Survivor 区中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的对象就被移动Old generation中， 即 一旦收集后，Eden区就变空了
    • 当对象在Eden出生后，经过一个Minor GC后，如果Eden和from区的对象还存活，并能被to区所容纳，则使用复制算法 将还存活的对象复制到 to 区， 然后清理所使用的Eden区和from区，并将这些对象年龄设置为1，以后对象在Survivor区中，每存活一次，年龄+1/
    • 优势：不会产生内存碎片，可以利用 bump-the-poniter 实现快速内存分配； 没有标记和清除的过程，效率高。
    • 劣势： 复制算法想要使用，要保证对象的存活率非常低才行。浪费了to区内存。
  • 标记清除算法：分为标记和清除两个阶段
    • 首先要标记出所有需要回收的对象， 在标记完成后，统计回收所有被标记的对象；可以反过来标记存活的对象，统一回收未被标记的对象
    • 优点： 解决了复制算法的痛点，to区不再被浪费。
    • 缺点：
      • 执行效率不稳定，标记和清除两个过程的执行效率会随着对象的数量增长而降低。
      • 内存空间碎片化问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片
      • 此算法要暂停整个应用STW(Stop the world)
  • 标记压缩（Mark-compact): 老年代一般由标记清除或是标记清除与标记整理的混合实现
    • 标记所有存活的对象，在整理压缩阶段，将标记的存活的对象都移向一端，然后直接清除边界以外的内存
    • 优势： 弥补了清除算法中内存区域分散的缺点，也消除了复制算法浪费to区内存的问题
    • 劣势：效率不高，不经要标记所有存活的对象，还要整理所有存活对象的引用地址。
  • 标记-清理-压缩（Mark-Sweep-Compact）
    • 标记清理和标记要锁的结合
    • 一开始和标记清理一致，多次GC后才进行压缩。
    • 优势：减少了移动对象的成本。

5. 垃圾收集器

  • Serial收集器： 单线程的垃圾收集器，只有使用一个线程进行垃圾回收，会暂停其他所有工作线程（STW,Stop th e world）, 直到它收集结束。 不适合服务器环境
  • ParNew收集器： 就是Serial收集器的多线程部那边呢，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为与Serial收集器完全一致
  • Parallel Scavenge 收集器： 也是使用标记-复制算法的多线程收集器，主要关注点是吞吐量（高效率的利用CPU）. CMS等垃圾收集器的关注点更多是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。 吞吐量：CPU中运行用户代码的时间与CPU总消时间的比值。
  • Serial Old 收集器： Seraial收集器的老年代版本， 单线程收集器，用途：一个是在JDK1.5及之前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用， 另一个用途作为CMS收集器的后备方案。
  • Prallel Old 收集器： Parallel Scavenge收集器的老年代版本。
  • CMS收集器：是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。
    • 过程：
      • 初始标记：暂停所有其他线程，记录下与root相连的对象
      • 并发标记：同时开启GC和用户线程，用一个闭包结构记录可达对象。因为用户线程会不断更新引用域，所以GC线程无法保证可达性分析的实时性。所以会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
      • 重新标记：修正并发标记期间用户线程导致标记变动的记录。这段时间停顿时间比初始标记时间稍长。
      • 并发清除：开启用户线程，同时GC线程开始对未标记的区域清扫。
    • 优点：并发收集、低停顿
    • 缺点：对CPU资源敏感、无法处理浮动垃圾（并发清理期间用户线程产生的垃圾）、使用标记-清除算法会导致大量碎片空间产生。
  • G1收集器：Garbage-First是针对配备多颗处理器和大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间要求，还具备高吞吐量性能特性。

Java对象创建的过程

① 类加载检查 ② 分配内存 ③ 初始化零值 ④ 设置对象头 ⑤ 执行init方法

堆空间的基本结构？ 什么情况下对象会进入到老年代

堆空间的基本结构： * Eden：伊甸园区 * S0: 幸存者0区 * s1: 幸存者1区 * Old: 老年代 * 1.7以及之前是永久代 1.8 元空间 MetaSpace（使用直接内存）.

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  • 进入老年代的对象：

    • 比较大的对象会直接进入到老年代： 大对象需要连续的空间，而大对象进入老年代是由垃圾收集器和相关参数决定的。大对象进入老年代是一种优化策略，降低新生代GC频率和成本。

      • G1会使用+xx: G1HeapRegionSize 和 -xx: G1MixedGCLiveThresoldPercent 设置阈值

    • 长时间存活的对象进入老年代： 对象从Eden区分配空间后，经历一次MinorGC后，依然存活，就会进入Survivor区，年龄为1；每次S1-S0之间的MinorGC，还存活的对象年龄+1，当大于15时，此对象就会进入老年代。可以通过-XX: MaxTenuringThresold 拉设置进入老年代的年龄。

如何判断对象是否存活？ 根可达的流程？ 哪些对象可作为GC Roots?

  • 引用计数法: 有一个对象引用，引用计数器就加1，当引用失效，引用计数器就减1，当引用计数器为0，表示没有对象引用。 但是存在问题，如果两个对象互相引用，就无法判断了。
  • 根可达GC Roots: 从GC Roots的对象开始，向下搜索，会根据引用关系形成一条引用链，当一个对象没有在任何一条引用链中时，表示此对象不可用，需要被回收。
  • 可以作为GCRoots的对象：
    • 虚机栈中引用的对象
    • 本地方法栈中应用的对象
    • 方法区中静态变量引用的对象
    • 方法去中常量引用的对象
    • 所有被同步锁持有的对象

对象可以被回收，就一定会被回收吗？

  • 不会，会进入缓刑阶段，经历两次标记之后才会回收。 首先是经过可达性分析，判断不可达时进行一次标记，之后会再经过一次标记，要是这个对象再没有与任何引用链有关联，就会被回收。

jdk中有几种引用类型？他们的特征分别是什么？

  • 强引用：不会被回收，即使空间不足，宁愿抛出ooM也不回收。
  • 软引用：当空间不足时，就会回收
  • 弱引用：不管空间充不充足，只要发现了弱引用就会回收。
  • 虚引用：任何时候只要发现就会回收

垃圾收集有哪些算法？ 各自有什么特点？

  • 常见的垃圾收集器：Serial\ ParNew \ paralle Scavenge\ CMS\ G1 \ ZGC

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  • 垃圾收集算法：
    • 复制算法（copying）： 年轻代使用的时Minor GC. 这种GC算法采用的是复制算法（Copying)
      • MinorGC会将Eden中的所有或的对象都移动到 Survivor 区中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的对象就被移动Old generation中， 即 一旦收集后，Eden区就变空了
      • 当对象在Eden出生后，经过一个Minor GC后，如果Eden和from区的对象还存活，并能被to区所容纳，则使用复制算法 将还存活的对象复制到 to 区， 然后清理所使用的Eden区和from区，并将这些对象年龄设置为1，以后对象在Survivor区中，每存活一次，年龄+1/
      • 优势：不会产生内存碎片，可以利用 bump-the-poniter 实现快速内存分配； 没有标记和清除的过程，效率高。
      • 劣势： 复制算法想要使用，要保证对象的存活率非常低才行。浪费了to区内存。
    • 标记清除算法：分为标记和清除两个阶段
      • 首先要标记出所有需要回收的对象， 在标记完成后，统计回收所有被标记的对象；可以反过来标记存活的对象，统一回收未被标记的对象
      • 优点： 解决了复制算法的痛点，to区不再被浪费。
      • 缺点：
        • 执行效率不稳定，标记和清除两个过程的执行效率会随着对象的数量增长而降低。
        • 内存空间碎片化问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片
        • 此算法要暂停整个应用STW(Stop the world)
    • 标记压缩（Mark-compact): 老年代一般由标记清除或是标记清除与标记整理的混合实现
      • 标记所有存活的对象，在整理压缩阶段，将标记的存活的对象都移向一端，然后直接清除边界以外的内存
      • 优势： 弥补了清除算法中内存区域分散的缺点，也消除了复制算法浪费to区内存的问题
      • 劣势：效率不高，不经要标记所有存活的对象，还要整理所有存活对象的引用地址。
    • 标记-清理-压缩（Mark-Sweep-Compact）
      • 标记清理和标记要锁的结合
      • 一开始和标记清理一致，多次GC后才进行压缩。
      • 优势：减少了移动对象的成本。

常见的GC? 谈谈Minor GC 和 Full GC的理解。Minor GC和Full GC在什么时候触发？ MinorGc会发生STW现象吗？

  • 常见的GC根据收集范围可以分为两种：
    • Partial Gc：不是收集正个GC堆的模式
      • Young GC/Minor GC: 只收集年轻代的GC， 一般在Eden区空间分配满后触发，将存活的对象进入幸存者区，部分对象进入老年代。
      • Old GC: 只收集老年代的GC, 只有CMS 的并发清除有这个模式
      • Mixed GC: 收集年轻代和老年代的GC, G1有这个模式
    • Full GC: 或Major GC, 收集整个堆，年轻代、老年代、永久代或元空间。
      • 触发时机：①当年轻代经过Young GC之后，存活的对象要进入老年代，但是老年代的空间不足时，会触发Full GC. ② 当永久代的分配空间不足时，会触发FullGC.③ System.gc() 也是fullGC

CMS垃圾收集器的四个步骤？ CMS有什么缺点？

  • 步骤：

    • 初始标记：短暂暂停，标记与root直接相连的对象。
    • 并发标记：同时开启GC和用户线程，用闭包结构来记录可达对象，由于在这个过程用户线程会更新引用，而GC线程无法保证可达性分析的实时性，所以此算法会跟踪记录发生变更的引用。
    • 重新标记：修复并发标记阶段发生引用变化的标记记录。这个阶段停顿的时间会比初始标记阶段长一些。
    • 并发清除：开启用户线程，同时GC对未标记的区域进行清理。

  • 优点：并发收集，低停顿。

  • 缺点：

    • 对CPU资源敏感
    • 无法处理浮动垃圾
    • 底层使用标记-清理算法，会产生大量的碎片空间。

  • 并发标记：就是用户线程和GC线程并发。由于在分析可达性的时候，用户线程也会更新引用，这个时候就会导致出现 浮动垃圾（本来应该被删除的，但是因为更新引用，被标成了黑色）， 对象消失问题（本来是黑色，更新引用后，变白色了）。 解决方案：增量更新和原始快照-> 根据记录，重新标记

三色标记法？

  • 白色：表示当前对象还没有被垃圾收集器访问过。 如果分析结束阶段，还是白色，表示不可达
  • 黑色： 表示当前对象已被访问过，并且此对象的所有引用都扫描过了。表示安全存活，可达。
  • 灰色：表示当前对象被垃圾收集器访问过了，但是此对象部分引用未扫描。

G1垃圾收集器的步骤？ 有什么缺点？

  • 步骤：

    • 初始标记：短暂停顿stw, 标记GC Roots直接引用的对象
    • 并发标记：与应用线程并发，标记所有可达的对象，这个过程时间较长，取决于堆空间的大小和对象的多少
    • 最终标记: 短暂停顿stw, 处理并发标记残留的少量引用变更
    • 筛选回收：根据标记结果，选择回收价值高的区域，将标记存活的对象，复制到新区域，回收旧区域内存。这个过程会有一次或多次停顿，取决于回收的复杂度。

  • 缺点：

    • 使用标记-整理算法：效率不高。

ZGC？

  • GC的停顿时间影响服务可用性
  • CMS和G1的stw有局限性，有上限。
  • ZGC:
    • 初始标记： stw
    • 并发标记/对象定位
    • 再标记： stw
    • 并发转移准备：
    • 初始转移： stw
    • 并发转移

ZGC通过着色指针和读屏障技术，解决了转移过程中准确访问对象的问题，实现了并发转移。大致原理描述如下：并发转移中“并发”意味着GC线程在转移对象的过程中，应用线程也在不停地访问对象。假设对象发生转移，但对象地址未及时更新，那么应用线程可能访问到旧地址，从而造成错误。而在ZGC中，应用线程访问对象将触发“读屏障”，如果发现对象被移动了，那么“读屏障”会把读出来的指针更新到对象的新地址上，这样应用线程始终访问的都是对象的新地址。

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JVM的安全点和安全区代表什么?

  • 把栈上的引用类型的位置全部记录下来，这样到 GC 的时候就可以直接读取，而不用一个个扫描了。Hotspot 就是这么实现的，这个用于存储引用类型的数据结构叫 OopMap

  • OopMap 的更新，从直观上来说，需要在对象引用关系发生变化的时候修改。不过导致引用关系变化的指令非常多，如果对每条指令都记录 OopMap 的话 ，那将会需要大量的额外存储空间，空间成本就会变得无法忍受的高昂。选用一些特定的点来记录就能有效的缩小需要记录的数据量，这些特定的点就称为 安全点 (Safepoint) 。

    • 通常选择一些执行时间较长的指令作为安全点，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

  • 处于Sleep 或者 Blocked 状态的线程无法跑到安全点，需要引入安全区域, 安全区域指的是，在某段代码中，引用关系不会发生变化，线程执行到这个区域是可以安全停下进行 GC 的。因此，我们也可以把 安全区域 看做是扩展的安全点。

什么是字节码？ 类文件结构的组成?

  • 字节码：在java中，JVM能够理解的代码， 可移植性高，Java无需重新编译便可在不同操作系统上运行。
  • 类文件结构组成：
ClassFile {
    u4             magic; //Class 文件的标志
    u2             minor_version;//Class 的小版本号
    u2             major_version;//Class 的大版本号
    u2             constant_pool_count;//常量池的数量
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
    u2             access_flags;//Class 的访问标记
    u2             this_class;//当前类
    u2             super_class;//父类
    u2             interfaces_count;//接口数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
    u2             fields_count;//字段数量
    field_info     fields[fields_count];//一个类可以有多个字段
    u2             methods_count;//方法数量
    method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法
    u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

类的生命周期？类加载的过程？ 加载这步发生了什么？初始化阶段哪些情况必须对类进行初始化？

  • 生命周期：
    • 加载
    • 连接：
      • 验证
      • 准备
      • 解析
    • 初始化
    • 使用
    • 卸载

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  • 类的加载过程：

    • 加载：
    • 连接：验证、准备、解析
    • 初始化

  • 加载完成的事情：加载过程中，通过类加载器来完成，具体哪个类由哪个类加载器加载有双亲委派模型决定（也可打破双亲委派模型）

    • 通过全类名获取此类的二进制字节流
    • 将二进制字节流所代表的静态结构转换为方法区运行时数据结构
    • 在内存中生一个代表该类的class对象，作为方法区数据访问的入口

  • 必须初始化的情况：

    • 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令时：
      • new: 创建一个类的实例对象。
      • getstatic、putstatic: 读取或设置一个类型的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）。
      • invokestatic: 调用类的静态方法。
    • 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时如 Class.forName("..."), newInstance() 等等。如果类没初始化，需要触发其初始化。
    • 初始化一个类，如果其父类还未初始化，则先触发该父类的初始化。
    • 当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类。
    • MethodHandle 和 VarHandle 可以看作是轻量级的反射调用机制，而要想使用这 2 个调用，就必须先使用 findStaticVarHandle 来初始化要调用的类。
    • 「补充，来自issue745」 当一个接口中定义了 JDK8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

双亲委派模型了解？ 如果打破双亲委派模型？

  • 类加载器：

    • BootstrapClassLoader: 启动类加载器，主要加载java的核心库 %JAVA_HOME%/lib目录下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar等 jar 包和类）以及被 -Xbootclasspath参数指定的路径下的所有类
    • ExtensionClassLoader：扩展类加载器，主要负责加载 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类。
    • ApplicationClassLoader: 面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。
    • 自定义加载类，需要实现 ClassLoader父类，并重写

  • 双亲委派模型：自底向上查找判断类是否被加载， 如果未被加载，从顶向下尝试加载

    • 类加载时，首先会判断类是否被加载，如果被加载就直接返回，如果没有被加载，再交由父类判断
    • 类加载器进行类加载时，首先不会加载类，而是交给父类进行加载，这样就会传到顶层 BootstrapClassLoader中
    • 当父类反映无法加载此类，子加载类才会尝试加载
    • 如果子加载类也无法加载，就会抛出 ClassNotFoundException的异常。

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  • 打破双亲委派的方法：
    • 自定义加载器的话，需要继承 ClassLoader 。如果我们不想打破双亲委派模型，就重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法即可，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法。

双亲委派模型有什么好处？双亲委派模型是保证一个类在JVM中是唯一的？

  • 避免类被重复加载 和 防止核心API被篡改
  • Java区分不同类是通过 类名和加载此类的类加载器， 即使类名相同，加载的类加载器不同，也会视为不同的类。双亲委派模型确保核心类总是由 BootstrapClassLoader 加载，保证了核心类的唯一性。
  • 即使通过重写ClassLoader也无法恶意篡改核心类。因为在ClassLoader的方法 preDefinedClass方法会判断当前类是否未 java. 开头的，如果是就会抛出 securityException ，防止核心类被恶意篡改或被伪造。

堆内存相关的参数？

  • -Xms2G -Xmx5G : 表示堆内存最小2G,最大5G

  • 显式新生代内存：

    • 方案一：
      • -XX:NewSize=256m 新生代内存空间最小分配256m
      • -XX:MaxNewSize=512m 新生代内存空间最大分配512m
    • 方案二：
      • -Xmn256m 新生代内存空间分配256m

  • 垃圾收集器：

    • 串行垃圾收集器：-XX:+UseSerialGC
    • 并行垃圾收集器：-XX:+UseParalleGC
    • CMS垃圾收集器：-XX:+UseConcMarkSweepGC
    • G1垃圾收集器：-XX:+UseG1GC

  • 处理OOM

    • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError :指示 JVM 在遇到 OutOfMemoryError 错误时将 heap 转储到物理文件中。
    • -XX:HeapDumpPath=./java_pid<pid>.hprof :表示要写入文件的路径; 可以给出任何文件名; 但是，如果 JVM 在名称中找到一个 <pid> 标记，则当前进程的进程 id 将附加到文件名中，并使用.hprof格式
    • -XX:OnOutOfMemoryError="< cmd args >;< cmd args >" :用于发出紧急命令，以便在内存不足的情况下执行; 应该在 cmd args 空间中使用适当的命令。例如，如果我们想在内存不足时重启服务器，我们可以设置参数: -XX:OnOutOfMemoryError="shutdown -r" 。
    • -XX:+UseGCOverheadLimit :是一种策略，它限制在抛出 OutOfMemory 错误之前在 GC 中花费的 VM 时间的比例

项目是否实际配置过？

项目中遇到过GC问题吗，是怎么分析和解决的？

Java中9种常见的CMS GC问题分析与解决 - 美团技术团队

项目中是如何JVM调优的？

JVM调优-JVM调优实践一携手创作，共同成长！这是我参与「掘金日新计划 · 8 月更文挑战」的第10天，点击查看活动详 - 掘金

如何降低Full GC的频率

  • 可以减少进入老年代的对象数量，可以降低FullGC的频率。

GC性能指标了解吗？ 调优原则？

  • GC性能指标通常关注：吞吐量、停顿时间和垃圾税后频率
  • 调优原则：降低FUll GC的执行频率 和 减少Full GC的执行时间。

参考：JavaGuide（Java学习&面试指南） | JavaGuide

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