金三银四面试季节——Java 核心面试技术点-《JVM篇》

Posted JAVA架构进阶之路

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了金三银四面试季节——Java 核心面试技术点-《JVM篇》相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

描述一下 JVM 的内存区域

  • Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的 Java 方法调用。前面谈程序计数器时，提到了当前方法；同理，在一个时间点，对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。栈帧中存储着局部变量表、操作数（operand）栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。

  • 堆（Heap），它是 Java 内存管理的核心区域，用来放置 Java 对象实例，几乎所有创建的Java 对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的“Xmx”之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。

  • 方法区（Method Area）。这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。由于早期的 Hotspot JVM 实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK 8 中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。

  • 运行时常量池（Run-Time Constant Pool），这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。Java 的常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号引用，所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。

  • 本地方法栈（Native Method Stack）。它和 Java 虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。在 Oracle Hotspot JVM 中，本地方法栈和 Java 虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。

造成OOM的原因有哪几种？

  • 堆内存不足是最常见的 OOM 原因之一，抛出的错误信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”，原因可能千奇百怪，例如，可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显式指定 JVM 堆大小或者指定数值偏小；或者出现 JVM 处理引用不及时，导致堆积起来，内存无法释放等。

  • 虚拟机栈和本地方法栈，这里要稍微复杂一点。如果我们写一段程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。类似这种情况，JVM 实际会抛出StackOverFlowError；当然，如果 JVM 试图去扩展栈空间的的时候失败，则会抛出OutOfMemoryError。

  • 对于老版本的 Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且 JVM 对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现OutOfMemoryError 也非常多见，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似 Intern 字符串缓存占用太多空间，也会导致 OOM 问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError: PermGenspace

GC 算法

  • 复制（Copying）算法，我前面讲到的新生代 GC，基本都是基于复制算法，将活着的对象复制到 to 区域，拷贝过程中将对象顺序放置，就可以避免内存碎片化。这么做的代价是，既然要进行复制，既要提前预留内存空间，有一定的浪费；另外，对于 G1 这种分拆成为大量 region 的 GC，复制而不是移动，意味着 GC 需要维护 region 之间对象引用关系，这个开销也不小，不管是内存占用或者时间开销。

  • 标记 - 清除（Mark-Sweep）算法，首先进行标记工作，标识出所有要回收的对象，然后进行清除。这么做除了标记、清除过程效率有限，另外就是不可避免的出现碎片化问题，这就导致其不适合特别大的堆；否则，一旦出现 Full GC，暂停时间可能根本无法接受。

  • 标记 - 整理（Mark-Compact），类似于标记 - 清除，但为避免内存碎片化，它会在清理过程中将对象移动，以确保移动后的对象占用连续的内存空间。

G1 垃圾回收器采用的是什么垃圾回收算法？

从 GC 算法的角度，G1 选择的是复合算法，可以简化理解为：

  • 在新生代，G1 采用的仍然是并行的复制算法，所以同样会发生 Stop-The-World 的暂停。

  • 在老年代，大部分情况下都是并发标记，而整理（Compact）则是和新生代 GC 时捎带进行，并且不是整体性的整理，而是增量进行的。

GC 调优思路

从性能的角度看，通常关注三个方面，内存占用（footprint）、延时（latency）和吞吐量（throughput），大多数情况下调优会侧重于其中一个或者两个方面的目标，很少有情况可以兼顾三个不同的角度。当然，除了上面通常的三个方面，也可能需要考虑其他 GC 相关的场景，例如，OOM 也可能与不合理的 GC 相关参数有关；或者，应用启动速度方面的需求，GC 也会是个考虑的方面。 基本的调优思路可以总结为：

  • 理解应用需求和问题，确定调优目标。假设，我们开发了一个应用服务，但发现偶尔会出现性能抖动，出现较长的服务停顿。评估用户可接受的响应时间和业务量，将目标简化为，希望 GC 暂停尽量控制在 200ms 以内，并且保证一定标准的吞吐量。

  • 掌握 JVM 和 GC 的状态，定位具体的问题，确定真的有 GC 调优的必要。具体有很多方法，比如，通过 jstat 等工具查看 GC 等相关状态，可以开启 GC 日志，或者是利用操作系统提供的诊断工具等。例如，通过追踪 GC 日志，就可以查找是不是 GC 在特定时间发生了长时间的暂停，进而导致了应用响应不及时。

  • 选择的 GC 类型是否符合我们的应用特征，如果是，具体问题表现在哪里，是 Minor GC 过长，还是 Mixed GC 等出现异常停顿情况；如果不是，考虑切换到什么类型，如 CMS 和 G1 都是更侧重于低延迟的 GC 选项。

通过分析确定具体调整的参数或者软硬件配置。验证是否达到调优目标，如果达到目标，即可以考虑结束调优；否则，重复完成分析、调整、验证这 个过程。

如何提高JVM的性能？

  1. 新对象预留在年轻代 通过设置一个较大的年轻代预留新对象，设置合理的 Survivor 区并且提供 Survivor 区的使用率，可以将年轻对象保存在年轻代。

  2. 大对象进入年老代 使用参数-XX:PetenureSizeThreshold 设置大对象直接进入年老代的阈值

  3. 设置对象进入年老代的年龄 这个阈值的最大值可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold 来设置，默认值是 15

  4. 稳定的 Java 堆 获得一个稳定的堆大小的方法是使-Xms 和-Xmx 的大小一致，即最大堆和最小堆 (初始堆) 一样。

  5. 增大吞吐量提升系统性能 –Xmx380m –Xms3800m：设置 Java 堆的最大值和初始值。一般情况下，为了避免堆内存的频繁震荡，导致系统性能下降，我们的做法是设置最大堆等于最小堆。假设这里把最小堆减少为最大堆的一半，即 1900m，那么 JVM 会尽可能在 1900MB 堆空间中运行，如果这样，发生 GC 的可能性就会比较高； -Xss128k：减少线程栈的大小，这样可以使剩余的系统内存支持更多的线程； -Xmn2g：设置年轻代区域大小为 2GB； –XX:+UseParallelGC：年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器，可以尽可能地减少 GC 时间。 –XX:ParallelGC-Threads：设置用于垃圾回收的线程数，通常情况下，可以设置和 CPU 数量相等。但在 CPU 数量比较多的情况下，设置相对较小的数值也是合理的； –XX:+UseParallelOldGC：设置年老代使用并行回收收集器。

  7. 使用非占有的垃圾回收器 为降低应用软件的垃圾回收时的停顿，首先考虑的是使用关注系统停顿的 CMS 回收器，其次，为了减少 Full GC 次数，应尽可能将对象预留在年轻代。

system.gc() 的作用是什么？

gc()函数的作用只是提醒虚拟机：程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行，而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的，不同的虚拟机有不同的对策。

Parallel GC、CMS GC、ZGC、Azul Pauseless GC最主要的不同是？背后的原理也请简单描述下？

Parallel GC的Young区采用的是Mark-Copy算法，Old区采用的是Mark-Sweep-Compact来实现，Parallel执行，所以决定了Parallel GC在执行YGC、FGC时都会Stop-The-World，但完成GC的速度也会比较快。 CMS GC的Young区采用的也是Mark-Copy，Old区采用的是Concurrent Mark-Sweep，所以决定了CMS GC在对old区回收时造成的STW时间会更短，避免对应用产生太大的时延影响。 G1 GC采用了Garbage First算法，比较复杂，实现的好呢，理论上是会比CMS GC可以更高效，同时对应用的影响也很小。 ZGC、Azul Pauseless GC采用的算法很不一样，尤其是Pauseless GC，其中的很重要的一个技巧是通过增加Read Barrier来更好的识别对GC而言最关键的references变化的情况。

什么时候执行ygc，fullgc？

当young gen中的eden区分配满的时候触发young gc，当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。

gc()函数的作用只是提醒虚拟机：程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行，而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的，不同的虚拟机有不同的对策。

强引用、软引用、弱引用、幻象引用有什么区别？具体使用场景是什么？

不同的引用类型，主要体现的是对象不同的可达性（reachable）状态和对垃圾收集的影响。

所谓强引用（"Strong" Reference），就是我们最常见的普通对象引用，只要还有强引用指向一个对象，就能表明对象还“活着”，垃圾收集器不会碰这种对象。对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为 null，就是可以被垃圾收集的了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。

软引用（SoftReference），是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当 JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。

SoftReference 在“弱引用WeakReference”中属于最强的引用。SoftReference 所指向的对象，当没有强引用指向它时，会在内存中停留一段的时间，垃圾回收器会根据 JVM 内存的使用情况（内存的紧缺程度）以及 SoftReference 的 get() 方法的调用情况来决定是否对其进行回收。

对于幻象引用（PhantomReference ），有时候也翻译成虚引用，你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后，做某些事情的机制，比如，通常用来做所谓的 Post-Mortem 清理机制，如 Java 平台自身 Cleaner 机制等，也有人利用幻象引用监控对象的创建和销毁。

Object counter = new Object();
ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> p = new PhantomReference<>(counter, refQueue);
counter = null;
System.gc();
try {
    // Remove 是一个阻塞方法，可以指定 timeout，或者选择一直阻塞
    Reference<Object> ref = refQueue.remove(1000L);
    if (ref != null) {
        // do something
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // Handle it
}


JVM类加载过程

一般来说，我们把 Java 的类加载过程分为三个主要步骤：加载、链接、初始化。 首先是加载阶段（Loading），它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中，并映射为 JVM 认可的数据结构（Class 对象），这里的数据源可能是各种各样的形态，如 jar 文件、class 文件，甚至是网络数据源等；如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。加载阶段是用户参与的阶段，我们可以自定义类加载器，去实现自己的类加载过程。

第二阶段是链接（Linking），这是核心的步骤，简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤：

  • 验证（Verification），这是虚拟机安全的重要保障，JVM 需要核验字节信息是符合 Java 虚拟机规范的，否则就被认为是 VerifyError，这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害 JVM 的运行，验证阶段有可能触发更多 class 的加载。

  • 准备（Preparation），创建类或接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的，侧重点在于分配所需要的内存空间，不会去执行更进一步的 JVM 指令。

  • 解析（Resolution），在这一步会将常量池中的符号引用（symbolic reference）替换为直接引用。

最后是初始化阶段（initialization），这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑，编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好，父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

什么是双亲委派模型？

简单说就是当类加载器（Class-Loader）试图加载某个类型的时候，除非父加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。

类加载器的类型

  • 启动类加载器（Bootstrap Class-Loader），加载 jre/lib 下面的 jar 文件，如 rt.jar。它是个超级公民，即使是在开启了 Security Manager 的时候，JDK 仍赋予了它加载的程序 AllPermission。

  • 扩展类加载器（Extension or Ext Class-Loader），负责加载我们放到 jre/lib/ext/ 目录下面的 jar 包，这就是所谓的 extension 机制。该目录也可以通过设置 “java.ext.dirs”来覆盖。

  • 应用类加载器（Application or App Class-Loader），就是加载我们最熟悉的 classpath

上下文类加载器

Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，而这些 SPI 的实现代码则是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进类路径（CLASSPATH）里。SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类。那么问题来了，SPI的接口是Java核心库的一部分，是由**启动类加载器(Bootstrap Classloader)来加载的；SPI的实现类是由系统类加载器(System ClassLoader)**来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为依照双亲委派模型，BootstrapClassloader无法委派AppClassLoader来加载类。而线程上下文类加载器破坏了“双亲委派模型”，可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式，使程序可以逆向使用类加载器。

ServiceLoader 的加载代码：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

ContextClassLoader默认存放了AppClassLoader的引用，由于它是在运行时被放在了线程中，所以不管当前程序处于何处（BootstrapClassLoader或是ExtClassLoader等），在任何需要的时候都可以用Thread.currentThread().getContextClassLoader()取出应用程序类加载器来完成需要的操作。

自定义类加载器

自定义类加载器，常见的场景有：

  • 实现类似进程内隔离，类加载器实际上用作不同的命名空间，以提供类似容器、模块化的效果。例如，两个模块依赖于某个类库的不同版本，如果分别被不同的容器加载，就可以互不干扰。这个方面的集大成者是Java EE和OSGI、JPMS等框架。

  • 应用需要从不同的数据源获取类定义信息，例如网络数据源，而不是本地文件系统。

  • 需要自己操纵字节码，动态修改或者生成类型

从本地路径 load class 的例子:

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    @Override
    public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] b = loadClassFromFile(name);
        return defineClass(name, b, 0, b.length);
    }

    private byte[] loadClassFromFile(String fileName)  {
        InputStream inputStream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(
                fileName.replace('.', File.separatorChar) + ".class");
        byte[] buffer;
        ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
        int nextValue = 0;
        try {
            while ( (nextValue = inputStream.read()) != -1 ) {
                byteStream.write(nextValue);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        buffer = byteStream.toByteArray();
        return buffer;
    }
}


动态代理的原理？

反射机制是 Java 语言提供的一种基础功能，赋予程序在运行时自省（introspect，官方用语）的能力。通过反射我们可以直接操作类或者对象，比如获取某个对象的类定义，获取类声明的属性和方法，调用方法或者构造对象，甚至可以运行时修改类定义。 动态代理是一种方便运行时动态构建代理、动态处理代理方法调用的机制，很多场景都是利用类似机制做到的，比如用来包装 RPC 调用、面向切面的编程（AOP）。 实现动态代理的方式很多，比如 JDK 自身提供的动态代理，就是主要利用了上面提到的反射机制。还有其他的实现方式，比如利用传说中更高性能的字节码操作机制，类似 ASM、cglib（基于 ASM）、Javassist 等。

如何使用JDK动态代理？

public class MyDynamicProxy {
    public static  void main (String[] args) {
        HelloImpl hello = new HelloImpl();
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler(hello);
        // 构造代码实例
        Hello proxyHello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(HelloImpl.class.getClassLoader(), HelloImpl.class.getInterfaces(), handler);
        // 调用代理方法
        proxyHello.sayHello();
    }
}
interface Hello {
    void sayHello();
}
class HelloImpl implements  Hello {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}
class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    public MyInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        System.out.println("Invoking sayHello");
        Object result = method.invoke(target, args);
        return result;
    }
}


动态代理：JDK动态代理和CGLIB代理的区别？

JDK动态代理只能对实现了接口的类生成代理，而不能针对类，CGLIB是针对类实现代理，主要是对指定的类生成一个子类，覆盖其中的方法（继承）。

JDK Proxy 的优势：

  1. 最小化依赖关系，减少依赖意味着简化开发和维护，JDK 本身的支持，可能比 cglib 更加可靠。

  2. 平滑进行 JDK 版本升级，而字节码类库通常需要进行更新以保证在新版 Java 上能够使用。

  3. 代码实现简单。

基于类似 cglib 框架的优势：

  1. 有的时候调用目标可能不便实现额外接口，从某种角度看，限定调用者实现接口是有些侵入性的实践，类似 cglib 动态代理就没有这种限制。

  2. 只操作我们关心的类，而不必为其他相关类增加工作量。

  3. 高性能。

Spring在选择用JDK还是CGLiB的依据是什么？

(1)当Bean实现接口时，Spring就会用JDK的动态代理 (2)当Bean没有实现接口时，Spring使用CGlib是实现 (3)可以强制使用CGlib（在spring配置中加入<aop:aspectj-autoproxy proxy-target-class="true"/>）

CGlib比JDK快？

(1)使用CGLib实现动态代理，CGLib底层采用ASM字节码生成框架，使用字节码技术生成代理类，比使用Java反射效率要高。唯一需要注意的是，CGLib不能对声明为final的方法进行代理，因为CGLib原理是动态生成被代理类的子类。但是JDK也在升级，开始引入很多字节码技术来实现部分动态代理的功能，所以在某些测试下不一定是CGLib更快。

Java 中操作字节码的技术

ASM、Javassist、CGLib、Byte Budy。




以上是关于金三银四面试季节——Java 核心面试技术点-《JVM篇》的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

程序员如何技术划水，金三银四Android面试的一些感受，面试建议

金三银四已过，为大家整理一批高频java面试题，花点耐心看完，offer拿到手软！

Java常用面试题汇总助你备战金三银四

金三银四 | 进军BATJ大厂必看的技术点/面试题总结Linux后台开发

字节跳动Java金三银四解析：java面试选择题及答案

金三银四Java面试前的准备。