面试常问点：深入剖析JVM的那些事

Posted 2021-07-14 king哥Java架构

先前知识

众所周知java是一种跨平台的语言，但实际上跨平台的并不是java而是JVM。

JVM（Java Virtual Machine）是一种虚拟机，用来将由java文件编译成的class字节码文件再编译成机器语言，供机器识别。有了JVM中间人的存在就不需要直接与操作系统打交道，且不同的操作系统有不同的JVM，于是就屏蔽了操作系统间的差异，从而使java成为跨平台语言。

DVM又是什么？

Dalvik Virtual Machine简称DVM也是一种虚拟机，是专门为android平台开发的，它与JVM是有差别的。

Dalvik基于寄存器，而JVM 基于栈。性能有很大的提升。基于寄存器的虚拟机对于更大的程序来说，在它们编译的时候，花费的时间更短。

寄存器的概念

寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)，在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)

栈的概念

栈是线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的（所以多线程中局部变量都是相互独立的，不同于类变量）。栈在线程开始的时候初始化（线程的Start方法，初始化分配栈），每个线程的栈互相独立。每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换SS/ESP寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。

JVM

java的使用流程：

• 1、编写.java文件

• 2、编译成.class

• a、打包成.jar（Java Archive） .war（Web Archive）使用

• b、命令行则直接使用.class

其实.jar和.war是.class文件的压缩包，其中还包含了不同的配置文件，使用时通过类加载器取其内部的.class字节码文件加载到JVM。

Class文件结构

JVM接收的最初数据是class字节码文件，由.java文件编译产生。并不是只有java语言可以编译成class文件，其他语言也是可以（Scala、Groovy）。

class文件结构

class文件是由8位为一组的字节为基本单位，构成的二进制文件，为什么是二进制文件呢？

• 1、机器语言为二进制，所以使用便捷；

• 2、占用空间小，3.1415927用文本文件存储需要将各个位转成ASCII码再存储需占用9字节，二进制文件存储只需四字节；

• 3、存储数据精确不会丢失。

结构如上图，最上方为起始位，内容包含了.java文件的信息。

类型

class文件中只有两种类型：无符号数和表

无符号数为基本类型，有：u1、u2、u4、u8，数字代表字节数。无符号数可以代表数字、索引引用、数量值，或者按照UTF-8编码构成字符串值

表则是由基本类型和表构成的类型，属于组合类型

magic

文件最初的4个字节，称为魔数，是计算机识别文件类型的依据，不同于感官，.word .png .avi这种通过扩展名识别文件类型的方式，计算机识别多数文件是通过文件头部的魔数。

这种做法的优点在于安全性，文件的扩展名可以人为随意的修改，也许并不会造成文件的不可用（早年间的“图种”一词不知多少人有经历），也可能造成文件不可用，但文件的类型在文件创建之初就被赋予魔数的话，就可以大限度的保证文件的安全性。

version

表示此.class的版本信息，有minor_version和major_version两种类型共占了4字节。

不同版本Java有不同的特性，产生的class结构也会不同，JVM通过识别版本从而确定是否可识别此文件。JVM是向下兼容的，如果.class版本过高则不能运行（Unsupported major.minor version **）。

constant
constant_pool为常量池，用来存放常量，constant_pool_count为池中的计数。

constant_pool的索引从1开始，当指针不想引用此constant_pool时则将指针指向0，此操作简单（赋值永远比删除简单）。

常量池中有两大类常量类型：字面量和符号引用

• 1、字面量为java中的基本数据类型

• 2、符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，引用的目标并不一定已经加载到内存中，在类加载过程的解析阶段JVM将常量池内的符号引用替换为直接引用。类型有：
  1、CONSTANT_Class_info 类和接口的全限定名（该名称在所有类型中唯一标识该类型）
  2、CONSTANT_Fieldref_info 字段的名称和描述符
  3、CONSTANT_Methodref_info 方法的名称和描述符

常量池中每一项常量都是一个表

常量类型

讲解：

class A{  
    int i=9;  
    int b=new B();  
}  
  
class B{  
}  

编译时会产生A.class和B.class，此时A.class有两个常量9和B。JVM加载A.class时，将由于常量9属于字面量即基本数据类型，直接放入常量池。

到常量B时，由于常量B不属于字面量即基本数据类型，所以此时产生一个符号引用来代表常量B。

等到A.class加载到了解析阶段，需要将符号引用改为直接引用，但找不到符号引用B的直接引用，

在使用阶段，由于A对象主动引用了B类，所以JVM通过类加载器开始加载B.class（同样的加载步骤），并创建了B对象，并将符号引用B改为B对象的直接引用。

access

access_flags即java中的类修饰符

类的身份信息

一个类要有类名，关系要有extends和implement。java中类是单继承，所以除Object外所有类都有一个父类，而接口则可以有多实现。

this_class是这个类的全限定名
super_class是这个类父类的全限定名
interfaces是这个类实现接口的集合
interfaces_count是这个类实现接口的数量

fields

fields_count表示fields表中的数量

fields是表结构用来存放字段，字段即为类中声明的变量。字段包括了类级变量或实例级变量，static修饰符为判断依据。

public static final transient String str = "Hello World";  

一个字段包含的信息有：

• 1、作用域（public、private、protected修饰符）

• 2、类级变量还是实例级变量（static修饰符）

• 3、可变性（final）

• 4、并发可见性（volatile修饰符，是否强制从主内存读写）

• 5、可否序列化（transient修饰符）

• 6、字段数据类型（基本类型、对象、数组）

• 7、字段名称（str）

一个字段有多种修饰符，每种修饰符只有两种状态：有、没有，所以采用标志位来表示最为合理。字段的其他信息，叫什么名字、被定义为什么数据类型，这些都是无法固定的，所以引用常量池中的常量来描述。

字段结构

access_flags：修饰符

修饰符标志位

name_index：简单名称
指变量名，存放在常量池。例如字段str的简单名称“str”。

descriptor_index：描述符
描述字段的类型

类型列表

例子：
java.lang.String[][] —— [[Ljava/lang/String
int[] —— [I
String s —— Ljava/lang/String

attributes：属性集合，以用于描述某些场景专有的信息。

上面的类型只定义了变量信息，那变量的初始赋值操作呢？

赋值操作是将常量赋值给变量，常量有字面量和符号引用，字面量会在常量池中，符号引用依据情况会在解析或使用阶段改为直接引用。

字段赋值的时机：
a：对于非静态的field字段的赋值将会出现在实例构造方法()中
b：对于静态的field字段，有两个选择：

1、在类构造方法()中进行；
2、使用ConstantValue属性进行赋值
编译器对于静态field字段的初始化赋值策略:

如果final和static同时修饰一个字段，并且这个字段是基本类型或者String类型的，
那么编译器在编译这个字段的时候，会在对应的field_info结构体中增加一个ConstantValue类型的结构体，在赋值的时候使用这个ConstantValue进行赋值；

如果该field字段并没有被final修饰，或者不是基本类型或者String类型，那么将在类构造方法中赋值。

对于全局变量的值是被编译在构造器中赋值的

https://www.cnblogs.com/straybirds/p/8331687.html

methods

methods_count表示methods表中的数量

methods是表结构用来存放方法，表结构和字段的表结构一致

由于部分关键字相对于变量和方法是有区别的

例子：
int indexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] targetOffset,int targetCount,int fromIndex) —— （[CII[CII）I

方法内部的代码存到什么地方了？

attributes：属性表

在字段表和方法表中都有属性表

属性表结构

属性表所能识别的属性有

方法中到具体代码就存放在方法表中属性表的Code属性中

参考 https://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/54378263

其实不同成长阶段也会有不同的技术能力要求，就像JVM，只有达到一定的职业高度，才会有它很重要的认知，只有弄清楚虚拟机底层原理，才能走向更高的境界。所以掌握JVM是逐渐成长为高级Java工程师的过程中不可或缺的一部分，想要升职涨薪、跳槽大厂面试加分，就必须弄清JVM的原理与调优。


在面试中，常会问一些JVM调优的面试题，其中包括内存泄漏、字符串、垃圾回收等方面。尤其是大厂，十分爱考察求职者对底层执行原理的掌握，看你到底水平有多高，如果没有对JVM进行深入的了解以及实践，那你就有很大几率会在面试中“out”，而且在要薪酬上也比较吃亏。

那么如何才能快速掌握JVM的原理与应用呢？又该怎样在面试环节拿下JVM相关的面试题，让面试官刮目相看？

学习JVM，可以让你更深入理解Java语言，还可以让你学会用基础的知识解决难题，提高工作效率。

学习完JVM可以落地的知识：

• 根据自己的业务场景选择适合自己的GC实现
• 观察gc频率优化内存的分配策略
• 根据dump日志来分析程序瓶颈位置或找出崩溃原因
• 根据JIT编译优化流程、代码

此外，还能让你的代码在写法上，更安全、更高效，避免内存溢出的问题。随着对JVM的掌握越来越多，你的收入水平以及技术能力都逐渐向高级开发工程师迈进。

适合这样的你

如果你：

• 很想掌握JVM，学会解决JVM内存溢出、内存泄露、JVM调优等问题
• 想对Java有更深入的理解，提升Java性能
• 希望面试时能够从容应对JVM的相关问题
• 想要突破25k月薪的门槛
• 正在向高级开发工程师发展进阶

一、JVM内存区域划分

二、JVM执行子系统

三.垃圾回收器和内存分配策略

四、编写高效优雅Java程序

五、性能优化

JVM面试题总结

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