Java面试必备——JVM篇

1. Java的内存模型以及GC算法

1、Java内存模型

Java 虚拟机具备一个堆，堆是运行时数据区域，全部类实例和数组的内存均今后处分配

JVM主要管理两种类型内存：堆和非堆，堆内存（Heap Memory）是在 Java 虚拟机启动时建立，非堆内存(Non-heap Memory)是在JVM堆以外的内存

简单来讲，堆是Java代码可及的内存，留给开发人员使用的；非堆是JVM留给本身用的，包含方法区、JVM内部处理或优化所需的内存（如 JITCompiler，Just-in-time Compiler，即时编译后的代码缓存）、每一个类结构（如运行时常数池、字段和方法数据）以及方法和构造方法的代码

JVM 内存包含以下几个部分：

堆内存（Heap Memory）： 存放Java对象

非堆内存（Non-Heap Memory）： 存放类加载信息和其它meta-data

其它（Other）： 存放JVM 自身代码等

Method Area 和 Heap 是线程共享的

JVM初始运行的时候都会分配好 Method Area（方法区） 和Heap（堆）,而JVM 每遇到一个线程，就为其分配一个 Program Counter Register（程序计数器） , VM Stack（虚拟机栈）和Native Method Stack （本地方法栈）， 当线程终止时，三者（虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器）所占用的内存空间也会被释放掉。

2、Java内存分配

Java的内存管理实际上就是变量和对象的管理，其中包括对象的分配和释放。

JVM内存申请过程以下：

JVM 会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域

当Eden空间足够时，内存申请结束；不然到下一步

JVM 试图释放在Eden中全部不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）,释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区

Survivor区被用来做为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，不然会被保留在Survivor区

当OLD区空间不够时，JVM 会在OLD区进行彻底的垃圾收集（0级）

彻底垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然没法存放从Eden复制过来的部分对象，致使JVM没法在Eden区为新对象建立内存区域，则出现”out of memory”错误

4、GC分代划分

为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存划分红新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）3个区域。

1） 在Young Generation中，有一个叫Eden Space的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from、to），它们的大小老是同样，它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象

2） 在Old Generation中，主要存放应用程序中生命周期长的内存对象

3） 在Young Generation块中，垃圾回收通常用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个SurvivorSpace，当Survivor Space空间满了后，剩下的live对象就被直接拷贝到OldGeneration中去。所以，每次GC后，Eden内存块会被清空。

4） 在Old Generation块中，垃圾回收通常用mark-compact的算法，速度慢些，但减小内存要求

5） 垃圾回收分多级，0级为所有(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，只会回收Young中的垃圾，内存溢出一般发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的状况

2. jvm性能调优都作了什么

JVM启动参数：调整各代的内存比例和垃圾回收算法，提升吞吐量

目标：

GC的时间足够的小

GC的次数足够的少

发生Full GC的周期足够的长

实践：

（1）针对JVM堆的设置，通常能够经过-Xms -Xmx限定其最小、最大值，为了防止垃圾收集器在最小、最大之间收缩堆而产生额外的时间，咱们一般把最大、最小设置为相同的值

（2）年轻代和年老代将根据默认的比例（1：2）分配堆内存，能够经过调整两者之间的比率NewRadio来调整两者之间的大小，也能够针对回收代，好比年轻代，经过 -XX:newSize -XX:MaxNewSize来设置其绝对大小。一样，为了防止年轻代的堆收缩，咱们一般会把-XX:newSize -XX:MaxNewSize设置为一样大小

（3）年轻代和年老代设置多大才算合理？这个我问题毫无疑问是没有答案的，不然也就不会有调优。咱们观察一下两者大小变化有哪些影响

更大的年轻代必然致使更小的年老代，大的年轻代会延长普通GC的周期，但会增长每次GC的时间；小的年老代会致使更频繁的Full GC

更小的年轻代必然致使更大年老代，小的年轻代会致使普通GC很频繁，但每次的GC时间会更短；大的年老代会减小Full GC的频率

如何选择应该依赖应用程序对象生命周期的分布状况：若是应用存在大量的临时对象，应该选择更大的年轻代；若是存在相对较多的持久对象，年老代应该适当增大。但不少应用都没有这样明显的特性，在抉择时应该根据如下两点：（A）本着Full GC尽可能少的原则，让年老代尽可能缓存经常使用对象，JVM的默认比例1：2也是这个道理 （B）经过观察应用一段时间，看其余在峰值时年老代会占多少内存，在不影响Full GC的前提下，根据实际状况加大年轻代，好比能够把比例控制在1：1。但应该给年老代至少预留1/3的增加空间

（4）在配置较好的机器上（好比多核、大内存），能够为年老代选择并行收集算法： -XX:+UseParallelOldGC ，默认为Serial收集

（5）线程堆栈的设置：每一个线程默认会开启1M的堆栈，用于存放栈帧、调用参数、局部变量等，对大多数应用而言这个默认值太了，通常256K就足用。理论上，在内存不变的状况下，减小每一个线程的堆栈，能够产生更多的线程，但这实际上还受限于操做系统。

程序算法：改进程序逻辑算法提升性能

调优原则：

一、多数的Java应用不须要在服务器上进行GC优化；

二、多数致使GC问题的Java应用，都不是由于咱们参数设置错误，而是代码问题；

三、在应用上线以前，先考虑将机器的JVM参数设置到最优（最适合）；

四、减小建立对象的数量；

五、减小使用全局变量和大对象；

六、GC优化是到最后不得已才采用的手段；

七、在实际使用中，分析GC状况优化代码比优化GC参数要多得多；

调优目的：

一、将转移到老年代的对象数量下降到最小；

二、减小full GC的执行时间；

调优手段：

一、减小使用全局变量和大对象；

二、调整新生代的大小到最合适；

三、设置老年代的大小为最合适；

四、选择合适的GC收集器；

调优步骤：

1，监控GC的状态

2，分析结果，判断是否须要优化

若是各项参数设置合理，系统没有超时日志出现，GC频率不高，GC耗时不高，那么没有必要进行GC优化；若是GC时间超过1-3秒，或者频繁GC，则必须优化；

注：若是知足下面的指标，则通常不须要进行GC：

Minor GC执行时间不到50ms；

Minor GC执行不频繁，约10秒一次；

Full GC执行时间不到1s；

Full GC执行频率不算频繁，不低于10分钟1次；

3，调整GC类型和内存分配

4，不断的分析和调整

5，全面应用参数

3. 介绍JVM中7个区域，而后把每一个区域可能形成内存的溢出的状况说明

顺口溜：器池堆，栈栈区区；弃池堆，站站曲曲（一离开卫生间，肚子疼的站不起身）

虚拟机规范中的7个内存区域分别是三个线程私有的和四个线程共享的内存区

线程私有内存区域：与线程具备相同生命周期，分别是：指令计数器、线程栈和本地线程栈

四个共享区：是全部线程共享的，在JVM启动时就会分配，分别是：方法区、 常量池、直接内存区和堆（即咱们一般所说的JVM的内存分为堆和栈中的堆，后者就是前面的线程栈）

4. jvm 如何分配直接内存，常量池解析

直接内存：并非虚拟机运行时数据区的一部分，但直接内存被频繁使用也可能致使OutOfMemoryError异常出现。在NIO中，引入了一种基于通道和缓冲区的I/O方式，它可使用native函数直接分配堆外内存，而后经过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做

-XX:MaxDirectMemorySize设置最大值，默认与java堆最大值同样

常量池：JVM为每一个已加载的类型维护一个常量池，常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合。包括直接常量(基本类型，String)和对其余类型、方法、字段的符号引用。池中的数据和数组同样经过索引访问。因为常量池包含了一个类型全部的对其余类型、方法、字段的符号引用，因此常量池在Java的动态连接中起了核心做用。常量池存在于堆中

5. 数组多大放在JVM老年代

虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代中分配。这样作的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝

新生代经历minor gc ，年龄到达阈值。过大对象。minor gc后仍存在大量对象，分配survivor不能存储的对象到老年代。某种相同年龄对象相加综合大于survivor一半，大于或等于这个年龄值的对象直接到老年代

对应的年轻代回收机制是：标记-复制。（图片来自网络）

对应的老年代回收机制是：标记-清除(或标记-整理)。（图片来自网络）

1. 标记-清除

2. 标记-复制

3. 标记-整理

4. 分代回收

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