08-JVM 面试题-mk

1.JVM 的各部分组成

知道JVM 的好处：知道java 运行机制，排查问题的能力增加，比如内存泄漏、CPU飙高

JVM 是什么：Java Virtual Machine缩写，Java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）

好处：

• 一次编写，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制

从图中可以看出 JVM 的主要组成部分

• ClassLoader（类加载器）：负责将 .class 文件加载到 JVM 中，并转换为运行时数据结构（Class 对象）
• Runtime Data Area（运行时数据区）：管理程序运行时的内存分配和数据存储
• Execution Engine（执行引擎）：把字节码翻译为底层系统指令
  • 解释器：解释字节码信息
  • 即时编译器：针对代码进行优化
  • GC：主要是指运行数据区中的堆空间
• Native Method Library（本地库接口）：由C或C++实现，因为Java代码并不能实现某些功能，需要借助系统提供的接口（本地方法接口）

重点讲解下面部分：

JVM组成：重点介绍运行数据区

类加载器：主要指类加载子系统（比如：一个类的生命周期是什么、常见的类加载器有哪些）

垃圾回收：主要指的是堆中的对象垃圾回收，包含了垃圾回收算法、垃圾回收器、怎么去设置

JVM实践：JVM 调优的一些内容，比如参数怎么设置，该设置多少？出错了怎么办？比如内存泄漏问题、CPU飙高问题

2.运行时数据区

管理程序运行时的内存分配和数据存储

分为以下部分：

1. 线程共享区域

   • 方法区（Method Area）
     • 存储类的元数据（类名、类的结构、方法信息、字段信息）、静态变量、常量池等。
     • JDK 8 后由元空间（Metaspace）实现，直接使用本地内存。
   • 堆（Heap）
     • 存储所有对象实例和数组，是垃圾回收（GC）的主要区域。
     • 分为新生代（Eden、Survivor区）和老年代。

2. 线程私有区域

• 虚拟机栈（JVM Stack）
  • 每个方法调用对应一个栈帧（存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口）。
  • 栈深度超出限制时抛出 StackOverflowError。
• 本地方法栈（Native Method Stack）
  • 为 Native 方法（如 C/C++ 实现的方法）服务。
• 程序计数器（Program Counter Register）
  • 记录当前线程执行的字节码指令地址（分支、循环、异常处理依赖此区域）。

2.1.什么是程序计数器？

属于运行数据区的一部分，是线程私有的（没有线程安全问题），每个线程都有一份，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

javap -v xx.class 打印每个方法的详细信息，包括字节码指令（操作码）、局部变量表、操作数栈等。

什么是程序计数器？

属于运行数据区的一部分，是线程私有的（没有线程安全问题），每个线程都有一份，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

2.2.你能给我详细的介绍Java堆吗?

它是线程共享的区域（有线程安全问题），主要用来保存实例，数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

下图是运行数据区：

S0、S1也被成为幸存者区 ，一个对象来了之后先会到Eden（伊甸）区，假如这个对象在垃圾回收之后还存活，就会被复制移动到S0或者S1，假如对象移动一定次数还存活着，就会被放到老年代中，老年代是指生命周期比较长的

1. 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到老年代区间。
2. 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象
3. 元空间（方法区）保存的类名、类的结构、方法信息、字段信息、静态变量、常量池等。

java1.7和java1.8 堆的区别是什么？

在java1.8 之前，堆中有个永久代概念，和元空间的作用是一样的。因为元空间或方法区，主要存储的是一些类或者常量，随着项目类加载越来越多，java 1.7的永久代不可控，如果设置小了，就会存在内存溢出，设置大了会浪费内存，java1.8做了优化，都放到本地内存，这样堆节省空间，防止内存溢出，避免OOM。

你能给我详细的介绍Java堆吗?

• 线程共享的区域：主要用来保存对象实例，数组等，内存不够则抛出OutOfMemoryError异常。
• 组成：年轻代+老年代
  • 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区
  • 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象
• Jdk1.7和1.8的区别
  • 1.7中有有一个永久代，存储的是类名、类的结构、方法信息、字段信息、静态变量、常量池等
  • 1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出

2.3.能不能解释一下方法区？

属于运行数据区的一部分

• 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域
• 存储类的元数据（类名、类的结构、方法信息、字段信息）、静态变量、常量池等
• 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放
• 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

方法区逻辑上属于堆的一部分，但是不同厂商，存储的位置不一样，我们现在用的时oracle 提供的hotpot 虚拟机，在JDK8 之前，方法区是存在堆中一个叫永久代这个区域中，在JDK8 之后，把永久代给移除了，换了一个实现，这个实现叫做元空间，元空间不在堆内存中，用的是本地内存，也就是操作系统内存，为什么会挪动？避免OOM

• Class：类的信息，包括了类名、类的结构、方法、字段等
• Classloader：来加载这个类

2.3.1常量池

可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
javap -v Application.class ，查看字节码结构（类的基本信息、常量池、方法定义）

下图，左侧是main方法的指令信息，右侧constant pool 是常量池，main方法按照指令执行的时候，需要到常量池中查表翻译找到具体的类和方法地址去执行

2.3.2.运行时常量池

常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址 （真正的内存地址）

能不能解释一下方法区？

• 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域
• 主要存储类名、类的结构、方法信息、字段信息、静态变量、常量池
• 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放
• 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

介绍一下运行时常量池

• 常量池：可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
• 当类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

2.4.什么是虚拟机栈？

Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈（多个线程也会创建多个虚拟机栈，是线程私有、线程安全的），先进后出（什么时候创建虚拟机栈？）
• 每个栈由多个栈帧（frame）组成（方法会调用其它方法，产生多个栈帧），对应着每次方法调用时所占用的内存（每个栈帧包含方法所需要的数据，比如参数、局部变量、返回地址）
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

2.4.1.垃圾回收是否涉及栈内存？

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

2.4.2.栈内存分配越大越好吗？

未必，默认的栈内存通常为1024k，栈帧过大会导致线程数变少（每个线程都会创建虚拟机栈），例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧（或者线程）就会减半

2.4.3.方法内的局部变量是否线程安全？

• 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
• 如果是局部变量引用了对象（形参StringBuilder），并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

m1方法线程安全，m2 和m3 方法不安全

m1：每个线程来了之后，都会创建栈帧，每个栈帧都会有局部变量sb，每个线程都是独有的，并没有线程安全问题

m2：形参sb也是局部变量，在参数传递过程中，有可能会被其它线程操作。比如主线程中创建了一个StringBuilder对象sb,又在新线程里面把sb作为参数传给了m2方法，主线程和新线程都在修改sb,sb是主线程和新线程共享的，线程不安全。

m3：会把局部变量返回，这个局部变量有可能会被其它线程共用，可以在mian 方法中调用m3 方法，得到局部变量，然后在mian 方法中开启多线程同时去操作这个变量，也成了多个线程共用的变量

2.4.4.什么情况下会导致栈内存溢出？

• 栈帧过多导致栈内存溢出（java.lang.StackOverflowError），典型问题：递归调用
• 栈帧过大导致栈内存溢出（1M内存，不太容易出现）

public static void m4()
{m4();
}

1.什么是虚拟机栈

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，它是先进后出的特点
• 每个栈由多个栈帧（frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

2.垃圾回收是否涉及栈内仔?

• 垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

3.栈内存分配越大越好吗?

• 未必，默认的栈内存通常为1024K，栈帧过大会导致线程数变少

4.方法内的局部变量是否线程安全?

• 如果方法内局部变里没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
• 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

5.什么情况下会导致栈内存溢出?

• 栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题:递归调用
• 栈帧过大导致栈内存溢出

6.堆和栈的区别是什么？

• 栈内存一般会用来存储方法调用的栈帧、局部变量、操作数栈等，但堆内存是用来存储Java对象和数组的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。
  • 栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。
  • 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。

3.你听过直接内存吗？

并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存（操作系统内存），常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高

IO

java 本身不具有磁盘读写能力，要调用磁盘读写，必须调用操作系统提供的函数，会调用本地的方法，native 修饰的方法都是操作系统提供的方法，使用native 修饰的方法去操作磁盘文件。 这里涉及到CPU的运行状态，会从java 的 用户态切换到内核态，这是CPU状态的改变，其次内存也有一系列操作，当切换到内核态之后，会由CPU 的函数读取磁盘文件，会在操作系统中划出一块缓冲区，这个缓冲区我们也称为系统缓存区，磁盘内容会读到系统缓存区中，它不能把几百兆的数据一次性全部读到系统缓存区中，会利用缓冲区分批次进行读取，读到系统的缓存区，这个系统缓冲区，我们java 代码是不能操作的，java 会在堆中分配一块内存，对应代码中 new byte[] ，会划分java 的缓冲区，我们代码要想访问刚才读到的流中数据，必须要从系统的缓存区读到java 的缓冲区，读到java 的缓冲区会进入java 的下一个状态（用户态），会调用输出流的写入操作，这样反复进行读写，这个文件会复制到目标位置。也发现问题所在，有两个缓冲区，有两块内存，一个是系统提供的系统缓存区，另一个是java 的缓冲区，读取数据的时候，数据要存两份，第一次读到系统缓冲区，第二次读到java 缓冲区，因为java 代码访问不了系统缓冲区，必须读到java 缓冲区之后，java 代码才能进行操作，这就造成不必要的数据复制，因此效率不是很高

NIO

操作系统中划出了一块缓冲区，这个区域叫直接内存，系统也可以访问，java 代码可以直接访问。磁盘文件读写的时候，java 代码操作非常方便，比IO少了一次缓冲区的复制操作，所以说速度成倍的提升

你听过直接内存吗？

• 并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存
• 常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区，分配回收成本较高，但读写性能高，不受 JVM 内存回收管理

4.什么是类加载器，类加载器有哪些？

• 类加载器：负责将 .class 文件加载到 JVM 中，并转换为运行时数据结构（Class 对象）
• 运行时数据区：管理程序运行时的内存分配和数据存储
• 执行引擎：执行字节码文件或本地方法，把字节码翻译为底层系统指令
• 垃圾回收器：用于对JVM中的垃圾内容进行回收

什么是类加载器，类加载器有哪些 ？

类加载器：JVM只会运行二进制文件，负责将 .class 文件加载到 JVM 中，并转换为运行时数据结构（Class 对象），从而让Java程序能够启动起来。