聊到JVM（还怕面试官问JVM吗？）

Posted 2021-04-17 五角钱的程序员

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前言 

无论什么级别的Java从业者， JVM都是进阶时必须迈过的坎。不管是工作还是面试中，JVM都是必考题。 如果不懂JVM的话，薪酬会非常吃亏（近70%的面试者挂在JVM上了）。

• 请你谈谈你对JVM的理解？

• JVM类加载器是怎么样的？有几种？

• 什么是OOM，什么是StackOverFlowError? 怎么分析？

• JVM常用调优参数有哪写？

• GC有几种算法？分别是怎么执行的？

• 你知道JProfiler吗，怎么分析Dump文件？

第一次看到这些真真实实的面试题的时候，我~

这都什么玩意？？？？？？？

经过一段时间的研究！！接下来，我将以大白话从头到尾给大家讲讲 Java虚拟机 ！！

不对的地方还请大家指正~

1、什么是JVM？在哪？ 

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

百度的解释云里雾里，对于我们Java程序员，说白了就是：

• JVM本质上是一个程序，它能识别.class 字节码文件（里面存放的是我们对.java编译后产生的二进制代码），并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作！

  
  

• 关于Java语言的跨平台性，就是因为JVM，我们可以将其想象为一个抽象层，只要这个抽象层JVM正确执行了.class文件，就能运行在各种操作系统之上了！这就是一次编译，多次运行

  
  

对于JVM的位置：

• JVM是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互

2、JVM、JRE、JDK 的关系 

JDK（Java Development Kit）：Java开发工具包

JRE（Java Runtime Environment）：Java运行环境

JDK = JRE + javac/java/jar 等指令工具

JRE = JVM + Java基本类库

3、JVM体系结构 

Java虚拟机主要分为五大模块：

• ‍类装载器子系统

• 运行时数据区

• 执行引擎

• 本地方法接口

• 垃圾收集模块

    

    

• ‍
  

• 方法区是一种特殊的堆

• 栈里面不会有垃圾，用完就弹出了，否则阻塞了main方法

• 垃圾几乎都在堆里，所以JVM性能调优%99都针对于堆

4、三种JVM（了解） 

Sun公司  HotSpot （我们都用的这个）

BEA公司  JRockit

IBM公司  J9 VM

5、类加载器  

作用：加载 .Class 字节码文件

1、回顾new对象的过程

public class Student {
    //私有属性
    private String name;

    //构造方法
    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }
}

类是模板、模板是抽象的；对象是具体的，是对抽象的实例化

//运行时,JVM将Test的信息放入方法区
public class Test{
    //main方法本身放入方法区
  public static void main(String[] args){
        //s1、s2、s3为不同对象
        Student s1 = new Student("zsr");  //引用放在栈里，具体的实例放在堆里
        Student s2 = new Student("gcc");
        Student s3 = new Student("BareTH");
        System.out.println(s1.hashCode());
        System.out.println(s2.hashCode());
        System.out.println(s3.hashCode());
        //class1、class2、class3为同一个对象
        Class<? extends Student> class1 = s1.getClass();
        Class<? extends Student> class2 = s2.getClass();
        Class<? extends Student> class3 = s3.getClass();
        System.out.println(class1.hashCode());
        System.out.println(class2.hashCode());
        System.out.println(class3.hashCode());
    }
}

根据结果，我们发现：

• ‍s1、s2、s3的hashcode是不同的，因为是三个不同的对象，对象是具体的

  
  

  
  

• class1、class2、class3的hashcode是相同的，因为这是类模板，模板是抽象的
  

    

我们画图分析以下 new一个对象的流程：

1. 首先Class Loader读取字节码.class文件，加载初始化生成Student模板类

   
   

2. 通过Student模板类new出三个对象

‍
那么Class Loader具体是怎么执行我们的.class字节码文件呢，这就引出了我们类加载器~

2、类加载器的类别

我们编写这样一个程序

根据返回结果，我们来讲解以下三种加载器：

级别从高到底

1.启动类（根）加载器：BootstrapClassLoader

1. ‍c++编写，加载java核心库 java.*,构造拓展类加载器和应用程序加载器。

2. 根加载器加载拓展类加载器，并且将拓展类加载器的父加载器设置为根加载器，

3. 然后再加载应用程序加载器，应将应用程序加载器的父加载器设置为拓展类加载器

4. 由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，我们无法直接获取到启动类加载器的引用；这就是上面那个程序我们第三个结果为null的原因。

5. 加载文件存在位置

   
   

   
   

    

2. 拓展类加载器：PlatformClassLoader

1. java编写，加载扩展库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

2. java9之前为ExtClassloader，Java9以后改名为PlatformClassLoader

3.     加载文件存在位置

‍

3.应用程序加载器：AppClassLoader

            1 . java 编写，加载程序所在的目录

    

    2. 是Java默认的类加载器

4.用户自定义类加载器：CustomClassLoader

            1 . java 编写,用户自定义的类加载器,可加载指定路径的 class 文件

6、双亲委派机制 

1、什么是双亲委派机制

• ‍类加载器收到类加载的请求

  
  

• 将这个请求向上委托给父类加载器去完成，一直向上委托，直到根加载器BootstrapClassLoader

  
  

• 根加载器检查是否能够加载当前类，能加载就结束，使用当前的加载器；否则就抛出异常，通知子加载器进行加载；自加载器重复该步骤。
  

    

2、作用

举个例子：我们重写以下java.lang包下的String类

发现报错了，这就是 双亲委派机制 起的作用，当类加载器委托到 根加载器 的时候， String类 已经被 根加载器 加载过一遍了，所以不会再加载，从一定程度上防止了危险代码的植入!!

作用总结：

1.  防止重复加载同一个 .class 。通过不断委托父加载器直到根加载器，如果父加载器加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。




2. 保证系统核心.class，如上述的String类不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.class，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个class对象。这样保证了class执行安全。

    

7、沙箱安全机制 

这里引用了这篇博文引用链接，了解即 可

什么是沙箱？

Java安全模型的核心就是Java沙箱（sandbox）

1. 沙箱是一个限制程序运行的环境。沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。





沙箱主要限制系统资源访问，系统资源包括CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。

所有的Java程序运行都可以指定沙箱，可以定制安全策略。

java中的安全模型演进

在Java中将执行程序分成 本地代码 和 远程代码 两种

• 本地代码可信任，可以访问一切本地资源。

• 远程代码不可信信在早期的Java实现中，安全依赖于沙箱 (Sandbox) 机制。

如下图所示

如此严格的安全机制也给程序的功能扩展带来障碍，比如当用户希望远程代码访问本地系统的文件时候，就无法实现。

因此在后续的  Java1.1  版本中，针对安全机制做了改进，增加了 安全策略 ，允许用户指定代码对本地资源的访问权限。

如下图所示

在 Java1.2 版本中，再次改进了安全机制，增加了 代码签名 。

• 不论本地代码或是远程代码，都会按照用户的安全策略设定，由类加载器加载到虚拟机中权限不同的运行空间，来实现差异化的代码执行权限控制。

如下图所示

‍

当前最新的安全机制实现，则引入了 域 (Domain)  的概念。

• 虚拟机会把所有代码加载到不同的系统域和应用域

• 系统域部分专门负责与关键资源进行交互

• 应用域部分则通过系统域的部分代理来对各种需要的资源进行访问。

• 虚拟机中不同的受保护域 (Protected Domain)，对应不一样的权限 (Permission)。存在于不同域中的类文件就具有了当前域的全部权限，如下图所示

组成沙箱的基本组件

1. 字节码校验器（bytecode verifier）

确保Java类文件遵循Java语言规范。这样可以帮助Java程序实现内存保护。但并不是所有的类文件都会经过字节码校验，比如核心类（如上述java.lang.String）。

2. 类装载器（class loader）

其中类装载器在3个方面对Java沙箱起作用

• 它防止恶意代码去干涉善意的代码；

• 它守护了被信任的类库边界；

• 它将代码归入保护域，确定了代码可以进行哪些操作。

虚拟机为不同的类加载器载入的类提供不同的命名空间，命名空间由一系列唯一的名称组成，每一个被装载的类将有一个名字，这个命名空间是由Java虚拟机为每一个类装载器维护的，它们互相之间甚至不可见。

类装载器采用的机制是双亲委派模式。

1. 从最内层JVM自带类加载器开始加载，外层恶意同名类得不到加载从而无法使用；

   
   

2. 由于严格通过包来区分了访问域，外层恶意的类通过内置代码也无法获得权限访问到内层类，破坏代码就自然无法生效。

   
   

• 存取控制器（access controller）：存取控制器可以控制核心API对操作系统的存取权限，而这个控制的策略设定，可以由用户指定。

• 安全管理器（security manager）：是核心API和操作系统之间的主要接口。实现权限控制，比存取控制器优先级高。

• 安全软件包（security package）：java.security下的类和扩展包下的类，允许用户为自己的应用增加新的安全特性，包括：

  
  

1. 安全提供者

2. 消息摘要

3. 数字签名

4. 加密

5. 鉴别

• 
  

8、Native本地方法接口 

JNI：Java Native Interface

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序

native ：凡是带native关键字的，说明java的作用范围达不到了，会去调用底层c语言的库！进入本地方法栈，调用 本地方法接口JNI ，拓展Java的使用，融合不同的语言为Java所用

• Java诞生的时候C、C++横行，为了立足，必须要能调用C、C++的程序

  
  

• 于是在内存区域中专门开辟了一块标记区域：Native Method Stack，登记Native方法

  
  

• 最终在执行引擎执行的的时候通过JNI（本地方法接口）加载本地方法库的方法

  
  

目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间通信很发达，比如可以使用 Socket通信，也可以使用 Web service等等，了解即可！

9、PC寄存器  

程序计数器 ：Program Counter Register

10、方法区 

方法区 ：Method Area

• 方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数，接口代码也在此定义，简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间；

  
  

• 方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。

  
  

1. 方法区中有啥？

1. 静态变量(static)

2. 常量(final)

3. 类信息（构造方法、接口定义）

4. 运行时的常量池

2. 创建对象内存分析

• 创建一个对象时，方法区中会生成对应类的抽象模板；还有对应的常量池、静态变量、类信息、常量

  
  

• 我们通过类模板去new对象的时候

  
  

• 堆中存放实例对象

例如这个例子中，生成了对应的Person模板类，name常量“zsr”放在常量池中，三个对象的引用放在栈中，该引用指向放在堆中的三个实例对象。

这就是堆、栈、方法区的交互关系

11、栈  

又称 栈内存 ，主管程序的运行，生命周期和线程同步，线程结束，栈内存就释放了， 不存在垃圾回收

• 栈：先进后出

• 队列：先进先出（FIFO）

1、栈中存放啥？

1. 8大基本类型

2. 对象引用

3. 实例的方法

2、栈运行原理

• 栈表示Java方法执行的内存模型

  
  

• 每调用一个方法就会为每个方法生成一个栈帧（Stack Frame），每个方法被调用和完成的过程，都对应一个栈帧从虚拟机栈上入栈和出栈的过程。

  
  

• 程序正在执行的方法一定在栈的顶部

  
  

3、堆栈溢出StackOverflowError

举个例子：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        new Test().a();
    }

    public void a() {
        b();
    }

    public void b() {
        a();
    }
}

最开始，main()方法压入栈中，然后执行a()，a()压入栈中；再调用b()，b()压入栈中；以此往复，a与b方法不断被压入栈中，最终导致栈溢出

12、堆  

Heap，一个JVM只有一个堆内存（栈是线程级的），堆内存的大小是可以调节的

1、堆中有啥？

实例化的对象

2、堆内存详解

1、Young 年轻代

对象诞生、成长甚至死亡的区

• Eden Space（伊甸园区）：所有的对象都是在此new出来的

• Survivor Space（幸存区)

• 幸存0区（From Space）（动态的，From和To会互相交换）

• 幸存1区（To Space）

Eden区占大容量，Survivor两个区占小容量，默认比例是8:1:1。

2、Tenured 老年代

3、Perm 元空间

存储的是Java运行时的一些环境或类信息，这个区域不存在垃圾回收！关闭虚拟机就会释放这个区域内存！

这个区域常驻内存，用来存放JDK自身携带的Class对象、Interface元数据。

名称演变

• jdk1.6之前：永久代

• jdk1.7：永久代慢慢退化，去永久代

• jdk1.8之后：永久代改名为元空间

注意：元空间在逻辑上存在，在物理上不存在

新生代 + 老年代的内存空间 = JVM分配的总内存

如图所示：

3、什么是OOM？

内存溢出java.lang.OutOfMemoryError

产生原因：

1. 分配的太少

2. 用的太多

3. 用完没释放

4、GC垃圾回收

GC垃圾回收，主要在年轻代和老年代

首先，对象出生再 伊甸园区

• 假设伊甸园区只能存一定数量的对象，则每当存满时就会触发一次轻GC（Minor GC）

  
  

• 轻GC清理后，有的对象可能还存在引用，就活下来了，活下来的对象就进入幸存区；有的对象没用了，就被GC清理掉了；每次轻GC都会使得伊甸园区为空

  
  

  
  

• 如果幸存区和伊甸园都满了，则会进入老年代，如果老年代满了，就会触发一次重GC（FullGC），年轻代+老年代的对象都会清理一次，活下的对象就进入老年代

  
  

• 如果新生代和老年代都满了，则OOM

Minor GC：伊甸园区满时触发；从年轻代回收内存

Full GC：老年代满时触发；清理整个堆空间，包含年轻代和老年代

Major GC：清理老年代

什么情况永久区会崩？

一个启动类加载了大量的第三方Jar包，Tomcat部署了过多应用，或者大量动态生成的反射类

这些东西不断的被加载，直到内存满，就会出现 OOM

13、堆内存调优 

1、查看并设置JVM堆内存

查看我们jvm的 堆内存

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //返回jvm试图使用的最大内存
        long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();
        //返回jvm的初始化内存
        long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
        //默认情况下：分配的总内存为电脑内存的1/4,初始化内存为电脑内存的1/64
        System.out.println("max=" + max / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
        System.out.println("total=" + total / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
    }
}

默认情况下：

• JVM最大分配内存为电脑内存的1/4

• JVM初始化内存为电脑内存的1/64

我们可以手动调堆内存大小

在 VM options 中可以指定 jvm试图使用的最大内存 和 jvm初始化内存 大小

 
   
   
 

  
    
    
  
 
   
 
  
  
    
    
  
-Xms1024m -Xmx1024m -Xlog:gc*
 
   
   
 

• -Xmx用来设置jvm试图使用的最大内存，默认为1/4

• -Xms用来设置jvm初始化内存，默认为1/64

• -Xlog:gc*用来打印GC垃圾回收信息

2、怎么排除OOM错误？

1. 尝试扩大堆内存看结果

利用上述方法指定jvm试图使用的最大内存和jvm初始化内存大小

2. 利用内存快照工具JProfiler

内存快照工具：

• MAT（Eclipse）

• JProfiler

作用：

• 分析Dump内存文件，快速定位内存泄漏

• 获得堆中的文件

• 获得大的对象

• …

3. 什么是Dump文件？如何分析？

Dump文件是进程的内存镜像，可以把程序的执行状态通过调试器保存到dump文件中

import java.util.ArrayList;

public class Test {
    byte[] array = new byte[1024 * 1024];//1M

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Test> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
            while (true) {
                list.add(new Test());
                count++;
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("count=" + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行该程序，报错OOM

接下来我们设置以下堆内存，并附加生成对应的dump文件的指令

-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 表示当JVM发生OOM时，自动生成DUMP文件。

再次点击运行，下载了对应的Dump文件

我们右键该类，点击 Show in Explorer

一直点击上级目录，直到找到.hprof文件，与src同级目录下

我们双击打开，可以看到每块所占的大小，便于分析问题

点击Thread Dump，里面是所有的线程，点击对应的线程可以看到相应的错误，反馈到具体的行，便于排错

每次打开Dump文件查看完后，建议删除，可以在idea中看到，打开文件后生成了很多内容，占内存，建议删除

附：安装Jprofiler教程

1.idea中安装插件

2.下载客户端 https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/files

3.安装客户端

选择自定义安装，注意：路径不能有中文和空格

这里name和Company任意，License Key大家可以寻找对应版本的注册机获得

后续默认，安装成功即可！！！

4. 安装完成后，重启IDEA，可以看到我们的内存快照工具

 打开IDEA的设置，找到Tools里面的JProfiler，没有设置位置则设置位置

此时则全部安装完成！

14、GC垃圾回收 

1、回顾

Garbage Collection：垃圾回收

在12.4中，我们已经对GC的流程进行了大概的讲解，这里做一些总结：

• JVM在进行GC时，并不是对年轻代、老年代统一回收；大部分时候，回收都是在年轻代

• GC分为两种：

• 轻GC（清理年轻代）

• 重GC（清理年轻代+老年代）

2、GC算法

1、引用计数算法（很少使用）

• 每个对象在创建的时候，就给这个对象绑定一个计数器。

• 每当有一个引用指向该对象时，计数器加一；每当有一个指向它的引用被删除时，计数器减一。

• 这样，当没有引用指向该对象时，该对象死亡，计数器为0，这时就应该对这个对象进行垃圾回收操作。

2、复制算法

复制算法主要发生在 年轻代 （  幸存0区  和  幸存1区 ）

• 当Eden区满的时候，会触发轻GC，每触发一次，活的对象就被转移到幸存区，死的就被GC清理掉了，所以每触发轻GC时，Eden区就会清空；

• 对象被转移到了幸存区，幸存区又分为From Space和To Space，这两块区域是动态交换的，谁是空的谁就是To Space，然后From Space就会把全部对象转移到To Space去；

• 那如果两块区域都不为空呢？这就用到了复制算法，其中一个区域会将存活的对象转移到令一个区域去，然后将自己区域的内存空间清空，这样该区域为空，又成为了To Space；

• 所以每次触发轻GC后，Eden区清空，同时To区也清空了，所有的对象都在From区

这也就是幸存0区和幸存1区总有一块为空的原因

好处：没有内存的碎片（内存集中在一块）

坏处：

1. 浪费了内存空间（浪费了幸存区一半空间）

2. 对象存活率较高的场景下（比如老年代那样的环境），需要复制的东西太多，效率会下降。

最佳使用环境：对象存活度较低的时候，也就是 年轻代

3、标记–清除算法

为每个对象存储一个标记位，记录对象的生存状态

1. 标记阶段：这个阶段内，为每个对象更新标记位，检查对象是否死亡；

2. 清除阶段：该阶段对死亡的对象进行清除，执行 GC 操作。

   
   

缺点：两次扫描严重浪费时间，会产生内存碎片

优点：不需要额外的空间

4、标记–整理算法

标记-整理法  是  标记-清除法  的一个改进版。

又叫做  标记-清楚-压缩法

1. 标记阶段，该算法也将所有对象标记为存活和死亡两种状态；

2. 不同的是，在第二个阶段，该算法并没有直接对死亡的对象进行清理，而是将所有存活的对象整理一下，放到另一处空间，然后把剩下的所有对象全部清除。
   

可以进一步优化，在内存碎片不太多的情况下，就继续标记清除，到达一定量的时候再压缩.

总结

内存（时间复杂度）效率：复制算法 > 标记清除算法 > 标记压缩算法

内存整齐度：复制算法 = 标记压缩法 > 标记清除法

内存利用率：标记压缩法 = 标记清除法 > 复制算法

思考：有没有最优的算法？

没有最优的算法，只有最合适的算法

GC 也称为  分代收集算法

对于 年轻代：

• 对象存活率低

• 用复制算法

对于 老年代：

• 区域大，对象存活率高

• 用标记清除+标记压缩混合实现

结束！

    

    原文链接：http://i8n.cn/iWLG4r

// END

前天发了一篇文章：

封面用的iu,有读者评论，翻到底都没看到iu哈哈哈，看来iu还是受多数人喜欢的，所以这篇文章我给补上。哈哈哈哈。

图片来自网络

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作者：BossXiang，可爱且懂得生活的研究生一枚（码农一枚）。

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