浅谈JVM

Posted 2021-04-18 小刘的技术栈

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一：JVM基础知识

1）Java 是如何实现跨平台的？

注意：跨平台的是 Java 程序，而不是 JVM。JVM 是用 C/C++ 开发的，是编译后的机器码，不能跨平台，不同平台下需要安装不同版本的 JVM

我们编写的 Java 源码，编译后会生成一种 .class 文件，称为字节码文件。Java 虚拟机（JVM）就是负责将字节码文件翻译成特定平台下的机器码然后运行，也就是说，只要在不同平台上安装对应的 JVM，就可以运行字节码文件，运行我们编写的 Java 程序。

而这个过程，我们编写的 Java 程序没有做任何改变，仅仅是通过 JVM 这一 “中间层” ，就能在不同平台上运行，真正实现了 “一次编译，到处运行” 的目的。

2）什么是 JVM ？

解析：不仅仅是基本概念，还有 JVM 的作用。

JVM，即 Java Virtual Machine，Java 虚拟机。它通过模拟一个计算机来达到一个计算机所具有的的计算功能。JVM 能够跨计算机体系结构来执行 Java 字节码，主要是由于 JVM 屏蔽了与各个计算机平台相关的软件或者硬件之间的差异，使得与平台相关的耦合统一由 JVM 提供者来实现。

3）JVM 由哪些部分组成？

解析：这是对 JVM 体系结构的考察

JVM 的结构基本上由 4 部分组成：

• 类加载器，在 JVM 启动时或者类运行时将需要的 class 加载到 JVM 中

• 执行引擎，执行引擎的任务是负责执行 class 文件中包含的字节码指令，相当于实际机器上的 CPU

• 内存区，将内存划分成若干个区以模拟实际机器上的存储、记录和调度功能模块，如实际机器上的各种功能的寄存器或者 PC 指针的记录器等

• 本地方法调用，调用 C 或 C++ 实现的本地方法的代码返回结果

4）类加载器是什么？

解析：底层原理的考察，其中涉及到类加载器的概念，功能以及一些底层的实现。

        顾名思义，类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。

类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载的。

Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的？

        Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码，被不同的类加载器加载之后所得到的类，也是不同的。比如一个 Java 类 com.example.Sample，编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件，并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说，它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值，会抛出运行时异常 ClassCastException。

5）类加载器是如何加载 class 文件的？

下图所示是 ClassLoader 加载一个 class 文件到 JVM 时需要经过的步骤：

第一个阶段是找到 .class 文件并把这个文件包含的字节码加载到内存中

第二阶段又可以分为三个步骤，分别是字节码验证、Class 类数据结构分析及相应的内存分配和最后的符号表的链接

第三个阶段是类中静态属性和初始化赋值，以及静态块的执行等

1.加载

查找并加载类的二进制数据加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

• 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

• 在Java堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个 java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2.连接

验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以 0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object之外。

• 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

• 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone 参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

• ① 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

• ② 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为： public static int value = 3;

那么变量value在准备阶段过后的初始值为 0，而不是 3，因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法，而把 value 赋值为 3 的public static指令是在程序编译后，存放于类构造器  （） 方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

这里还需要注意如下几点：

• 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。

• 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。

• 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。

• 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

• ③ 如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，即同时被 final 和 static 修饰，那么在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。

假设上面的类变量 value 被定义为： public static final int value = 3;

编译时 Javac 将会为 value 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 3。我们可以理解为 static final 常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

解析：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

3.初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

• ① 声明类变量是指定初始值

• ② 使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

• 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类

• 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类

• 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

• 创建类的实例，也就是new的方式

• 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

• 调用类的静态方法

• 反射（如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）

• 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化

• Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（ JavaTest），直接使用 java.exe命令来运行某个主类

结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

• 执行了 System.exit()方法

• 程序正常执行结束

• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

参考文章：

7）双亲委派模型（Parent Delegation Model）？

解析：类的加载过程采用双亲委派机制，这种机制能更好的保证 Java 平台的安全性

答：类加载器 ClassLoader 是具有层次结构的，也就是父子关系，其中，Bootstrap 是所有类加载器的父亲，如下图所示：

该模型要求除了顶层的 Bootstrap class loader 启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。子类加载器和父类加载器不是以继承（Inheritance）的关系来实现，而是通过组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。每个类加载器都有自己的命名空间（由该加载器及所有父类加载器所加载的类组成，在同一个命名空间中，不会出现类的完整名字（包括类的包名）相同的两个类；在不同的命名空间中，有可能会出现类的完整名字（包括类的包名）相同的两个类）

双亲委派模型的工作过程？

1.当前 ClassLoader 首先从自己已经加载的类中查询是否此类已经加载，如果已经加载则直接返回原来已经加载的类。

每个类加载器都有自己的加载缓存，当一个类被加载了以后就会放入缓存，
等下次加载的时候就可以直接返回了。

2.当前 ClassLoader 的缓存中没有找到被加载的类的时候，委托父类加载器去加载，父类加载器采用同样的策略，首先查看自己的缓存，然后委托父类的父类去加载，一直到 bootstrap ClassLoader.

当所有的父类加载器都没有加载的时候，再由当前的类加载器加载，并将其放入它自己的缓存中，以便下次有加载请求的时候直接返回。

为什么这样设计呢？

解析：这是对于使用这种模型来组织累加器的好处

主要是为了安全性，避免用户自己编写的类动态替换 Java 的一些核心类，比如 String，同时也避免了重复加载，因为 JVM 中区分不同类，不仅仅是根据类名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加载就是不同的两个类，如果相互转型的话会抛java.lang.ClassCaseException.

二：JVM内存管理

1）JVM 内存划分：

1. 方法区（线程共享）：各个线程共享的一个区域，用于存储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，但是它却又一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

• 运行时常量池：是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。

2. 堆内存（线程共享）：所有线程共享的一块区域，垃圾收集器管理的主要区域。目前主要的垃圾回收算法都是分代收集算法，所以 Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等，默认情况下新生代按照8:1:1的比例来分配。根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘一样。

4. 虚拟机栈（栈内存）：Java线程私有，虚拟机展描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的时候，都会创建一个栈帧用于存储局部变量、操作数、动态链接、方法出口等信息；每个方法调用都意味着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程；

5. 本地方法栈 ：和Java虚拟机栈的作用类似，区别是该区域为 JVM 提供使用 native 方法的服务

2）对象分配规则？

• 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。

• 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。

• 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。

• 动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。

• 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

3）Java 的内存模型：

Java 虚拟机规范中试图定义一种 Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）来屏蔽掉各层硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

Java 内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在主内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间的变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的关系如上图。

面试官：两个线程之间是如何通信的呢？

在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

例如上图线程 A 与 线程 B 之间如果要通信的话，那么就必须经历下面两个步骤：

• 1.首先，线程 A 把本地内存 A 更新过得共享变量刷新到主内存中去

• 2.然后，线程 B 到主内存中去读取线程 A 之前更新过的共享变量

在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在 Java 中典型的消息传递方式就是 wait() 和 notify()。

5）内存屏障？

解析：在这之前应该对重排序的问题有所了解，这里我找到一篇很好的文章分享一下：Java内存访问重排序的研究

内存屏障，又称内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。

内存屏障为何重要？

对主存的一次访问一般花费硬件的数百次时钟周期。处理器通过缓存（caching）能够从数量级上降低内存延迟的成本这些缓存为了性能重新排列待定内存操 作的顺序。也就是说，程序的读写操作不一定会按照它要求处理器的顺序执行。当数据是不可变的，同时/或者数据限制在线程范围内，这些优化是无害的。如果把 这些优化与对称多处理（symmetric multi-processing）和共享可变状态（shared mutable state）结合，那么就是一场噩梦。当基于共享可变状态的内存操作被重新排序时，程序可能行为不定。一个线程写入的数据可能被其他线程可见，原因是数据 写入的顺序不一致。适当的放置内存屏障通过强制处理器顺序执行待定的内存操作来避免这个问题。

5）类似-Xms、-Xmn这些参数的含义：

堆内存分配：

1. JVM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64

2. JVM最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4

3. 默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。

4. 因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。

非堆内存分配：

1. JVM使用-XX:PermSize设置非堆内存初始值，默认是物理内存的1/64；

2. 由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的1/4。

3. -Xmn2G：设置年轻代大小为2G。

4. -XX:SurvivorRatio，设置年轻代中Eden区与Survivor区的比值。

6）内存泄漏和内存溢出

概念：

1. 内存溢出指的是内存不够用了。

2. 内存泄漏是指对象可达，但是没用了。即本该被GC回收的对象并没有被回收

3. 内存泄露是导致内存溢出的原因之一；内存泄露积累起来将导致内存溢出。

内存泄漏的原因分析：

1. 长生命周期的对象引用短生命周期的对象

2. 没有将无用对象置为null

小结：本小节涉及到 JVM 虚拟机，包括对内存的管理等知识，相对较深。除了以上问题，面试官会继续问你一些比较深的问题，可能也是为了看看你的极限在哪里吧。比如：内存调优、内存管理，是否遇到过内存泄露的实际案例、是否真正关心过内存等。

7）简述一下 Java 中创建一个对象的过程？

解析：回答这个问题首先就要清楚类的生命周期

下图展示的是类的生命周期流向：

Java中对象的创建就是在堆上分配内存空间的过程，此处说的对象创建仅限于new关键字创建的普通Java对象，不包括数组对象的创建。

大致过程如下：

1.检测类是否被加载：

当虚拟机执行到new时，会先去常量池中查找这个类的符号引用。如果能找到符号引用，说明此类已经被加载到方法区（方法区存储虚拟机已经加载的类的信息），可以继续执行；如果找不到符号引用，就会使用类加载器执行类的加载过程，类加载完成后继续执行。

2.为对象分配内存：

类加载完成以后，虚拟机就开始为对象分配内存，此时所需内存的大小就已经确定了。只需要在堆上分配所需要的内存即可。

具体的分配内存有两种情况：第一种情况是内存空间绝对规整，第二种情况是内存空间是不连续的。

• 对于内存绝对规整的情况相对简单一些，虚拟机只需要在被占用的内存和可用空间之间移动指针即可，这种方式被称为指针碰撞。

• 对于内存不规整的情况稍微复杂一点，这时候虚拟机需要维护一个列表，来记录哪些内存是可用的。分配内存的时候需要找到一个可用的内存空间，然后在列表上记录下已被分配，这种方式成为空闲列表。

分配内存的时候也需要考虑线程安全问题，有两种解决方案：

• 第一种是采用同步的办法，使用CAS来保证操作的原子性。

• 另一种是每个线程分配内存都在自己的空间内进行，即是每个线程都在堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（TLAB），分配内存的时候再TLAB上分配，互不干扰。

3.为分配的内存空间初始化零值：

对象的内存分配完成后，还需要将对象的内存空间都初始化为零值，这样能保证对象即使没有赋初值，也可以直接使用。

4.对对象进行其他设置：

分配完内存空间，初始化零值之后，虚拟机还需要对对象进行其他必要的设置，设置的地方都在对象头中，包括这个对象所属的类，类的元数据信息，对象的hashcode，GC分代年龄等信息。

5.执行 init 方法：

执行完上面的步骤之后，在虚拟机里这个对象就算创建成功了，但是对于Java程序来说还需要执行init方法才算真正的创建完成，因为这个时候对象只是被初始化零值了，还没有真正的去根据程序中的代码分配初始值，调用了init方法之后，这个对象才真正能使用。

到此为止一个对象就产生了，这就是new关键字创建对象的过程。过程如下：

参考文章：Java创建对象的过程简介

对象的内存布局是怎样的？

答：对象的内存布局包括三个部分：对象头，实例数据和对齐填充。

• 对象头：对象头包括两部分信息，第一部分是存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁等等。第二部分是类型指针，即对象指向类元数据的指针。

• 实例数据：就是数据啦

• 对齐填充：不是必然的存在，就是为了对齐的嘛

对象是如何定位访问的？

对象的访问定位有两种：句柄定位和直接指针

比较：使用直接指针就是速度快，使用句柄reference指向稳定的句柄，对象被移动改变的也只是句柄中实例数据的指针，而reference本身并不需要修改。