(Java实习生)每日10道面试题打卡——JVM篇

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了(Java实习生)每日10道面试题打卡——JVM篇相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

  • 临近秋招,备战暑期实习,祝大家每天进步亿点点!打卡 Day06!
  • 有粉丝大佬要求更新有难度的,所以本篇总结的是 JVM 相关的面试题,后续会每日更新~
  • :JVM 比较枯燥,直接刷题前,最好先去串一遍 JVM 课程,这里推荐传智播客的 JVM 教程:黑马程序员JVM教程笔记完整目录

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1、请你简述一下 Java 内存结构(运行时数据区)

如图所示:

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① 程序计数器

  • 程序计数器线程私有。一块较小的内存空间,程序计数器用于保存 JVM 中下一条所要执行的字节码指令的地址!如果正在执行的是 Native 方法,则这个计数器值则为空。程序计数器在硬件层面是通过 寄存器 实现的!

Java指令执行流程

  • .java代码源文件经过编译为.class 二进制字节码文件。

  • .class 文件中的每一条二进制字节码指令(JVM指令) 通过 解释器 转换成 机器码 然后就可以被 CPU 执行了!

  • 解释器 将一条 jvm 指令转换成 机器码 后,同时会向程序计数器 递交下一条 jvm 指令的执行地址

如图所示:

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② 虚拟机栈

  • 虚拟机栈线程私有,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈是Java方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
    • 每个栈由多个栈帧(Frame) 组成,对应着每个方法运行时所占用的内存。
    • 每个线程只能有一个活动栈帧,对应着当前正在执行的方法,当方法执行时压入栈,方法执行完毕后弹出栈。
    • 方法体中的引用变量和基本类型的变量都在栈上,其他都在堆上

实例代码:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/11/10/11:36
 * @Description: 演示栈帧
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        methodA();
    }

    private static void methodA() {
        methodB(1, 2);
    }

    private static int methodB(int a, int b) {
        int c = a + b;
        return c;
    }
}

流程分析:

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我们打断点来Debug 一下看一下方法执行的流程:

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接这往下走,使方法B执行完毕:

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然后方法A 执行完毕,其对应的栈帧出栈,main 方法对应的栈帧为活动栈帧;最后main执行完毕,栈帧出栈,虚拟机栈为空,代码运行结束!

③ 本地方法栈

  • 本地方法栈线程私有。本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

一些带有native 关键字修饰的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法,因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互,所以需要用到本地方法!

④ 堆

  • 线程共享。Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。Java堆的唯一目的就是存放对象实例几乎所有的对象实例都在这里分配内存
    • 通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存。
    • 方法体中的引用变量和基本类型的变量都在栈上,其他都在堆上
    • Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC 堆”(Garbage)。
    • -Xmx -Xms:JVM初始分配的堆内存由-Xms指定,默认是物理内存的1/64

⑤ 方法区

  • 方法区线程共享。方法区用于存储已被虚拟机加载的 *类信息(构造方法、接口定义)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码(字节码)*等数据。
    • 方法区在 JVM 启动的时候被创建,并且它的实际的物理内存空间和 Java堆一样都可以是不连续的, 关闭 Jvm 就会释放这个区域的内存。
    • 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类,导致方法区溢出,虚拟机同样会抛出内存溢出错误:(java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space、java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace)
  • 注意:方法区时一种规范,而永久代和元空间是它的2种实现方式

方法区的演进:

  • 1.6 版本方法区是由 永久代 实现(使用堆内存的一部分作为方法区),且由JVM 管理。由Class、ClassLoader、常量池(包括StringTable) 组成。

    在这里插入图片描述

  • Jdk 1.7 版本仍有永久代,但已经逐步 " 去永久代 ",StringTable、静态变量从永久代移除,保存在堆中。

  • 1.8 版本后,方法区交给本地内存管理,而脱离了JVM,由元空间实现(元空间不再使用堆的内存,而是使用本地内存,即操作系统的内存),由Class、ClassLoader、常量池(StringTable 被移到了堆中管理) 组成。

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⑥ 运行时常量池

  • 常量池:可以看做是一张表,虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的 类名,方法名,参数类型、字面量 等信息。

    • 常量池是*.class文件中的,当该类被加载以后,它的常量池信息就会放入运行时常量池,并把里面的符号地址变为真实内存地址
  • 运行时常量池:是方法区的一部分。

String str = new String("hello");

上面的语句中变量 str 放在栈上,用 new 创建出来的字符串对象放在堆上,而hello这个字面量是放在堆中。


2、请问jvm垃圾回收是否涉及栈内存?

  • 不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的,在方法执行完毕后,对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。

3、虚拟机栈内存的分配越大越好吗?

  • 不是。因为物理内存是一定的,栈内存越大,可以支持更多的递归调用,但是可执行的线程数就会越少。

我们来看一张图:

  • 举例:如果物理内存是500M(假设),如果一个线程所能分配的栈内存为2M的话,那么可以有250个线程。而如果一个线程分配栈内存占5M的话,那么最多只能有100 个线程同时执行!

4、从JVM的角度分析,方法内的局部变量是否是线程安全的?

我们通过两张图去分析一下:

  • 情况一:

  • 情况二:

从图中得出:局部变量如果是静态的可以被多个线程共享,那么就存在线程安全问题。如果是非静态的只存在于某个方法作用范围内,被线程私有,那么就是线程安全的!

再来看一个案例

/**
 * 局部变量的线程安全问题
 */
public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {// main 函数主线程
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(4);
        sb.append(5);
        sb.append(6);
        new Thread(() -> {// Thread新创建的线程
            m2(sb);
        }).start();
    }

    public static void m1() {
        // sb 作为方法m1()内部的局部变量,是线程私有的 ---> 线程安全
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }

    public static void m2(StringBuilder sb) {
        // sb 作为方法m2()外部的传递来的参数,sb 不在方法m2()的作用范围内
        // 不是线程私有的 ---> 非线程安全
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }

    public static StringBuilder m3() {
        // sb 作为方法m3()内部的局部变量,是线程私有的
        StringBuilder sb = new StringBuilder();// sb 为引用类型的变量
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;// 然而方法m3()将sb返回,sb逃离了方法m3()的作用范围,且sb是引用类型的变量
        // 其他线程也可以拿到该变量的 ---> 非线程安全
        
        // 如果sb是非引用类型,即基本类型(int/char/float...)变量的话,逃离m3()作用范围后,则不会存在线程安全
    }
}

所以,该面试题答案是

  • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围,则是线程安全的。
  • 如果局部变量引用了对象,并逃离了方法的作用范围,则需要考虑线程安全问题。

5、虚拟机栈内存溢出的情况有哪些?

  • 1.虚拟机栈中,栈帧过多(方法无限递归)导致栈内存溢出,这种情况比较常见
  • 2.每个栈帧所占用内存过大(某个/某几个栈帧内存直接超过虚拟机栈最大内存),这种情况比较少见

如图所示,就是栈中栈帧过多的情况:

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6、请你说一下JVM运行时数据区方法区的演进?

  • 1.6 版本方法区是由永久代实现(使用堆内存的一部分作为方法区),且由JVM 管理。由Class、ClassLoader、常量池(包括StringTable) 组成。

    • 静态变量就存放在永久代(方法区)上。

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  • Jdk 1.7 版本仍有永久代,但已经逐步 " 去永久代 ",StringTable、静态变量从永久代移除,保存在堆中。

  • 1.8 版本后,方法区交给本地内存管理,而脱离了JVM,由元空间实现(元空间不再使用堆的内存,而是使用本地内存,即操作系统的内存),由Class、ClassLoader、常量池(StringTable 被移到了堆中管理) 组成。

    • 静态变量、StringTable 存放在堆中!

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为什么要用元空间取代永久代?

因为永久代有以下几个弊端:

  • ① 字符串常量池存在于永久代中,在大量使用字符串的情况下,非常容易出现OOM的异常。
  • ② JVM加载的class的总数,方法的大小等都很难确定,因此对永久代大小的指定难以确定。太小的永久代容易导致永久代内存溢出,太大的永久代则容易导致虚拟机内存紧张,空间浪费。
  • ③ 永久代进行调优很困难:方法区的垃圾收集主要回收两部分,常量池中废弃的常量和不再使用的类。而不再使用的类或类的加载器回收比较复杂,FULL GC 的时间长。

7、请问Java虚拟机中有哪些类加载器?

以 JDK 8 为例:

名称加载哪的类说明
Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)JAVA_HOME/jre/lib无法直接访问
Extension ClassLoader(扩展类加载器)JAVA_HOME/jre/lib/ext上级为 Bootstrap,显示为 null
Application ClassLoader(应用程序类加载器)classpath上级为 Extension
自定义类加载器自定义上级为 Application

类加载器的优先级(由高到低):启动类加载器 -> 扩展类加载器 -> 应用程序类加载器 -> 自定义类加载器

  • **启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):**这个类加载器负责将存放在 JAVA_HOME/jre/lib 目录中的,或者被-Xbootclasspath 参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。
  • **扩展类加载器(Extension ClassLoader):**这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现,它负责加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的,或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  • **应用程序类加载器(Application ClassLoader):**这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
  • **自定义类加载器:**用户自定义的类加载器。

8、请你说一下类的加载的过程?

类加载的过程包括:加载、验证、准备、解析、初始化。其中验证、准备、解析统称为连接

  • 加载:通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流,在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象。
  • 验证: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。
  • 准备:为静态变量分配内存并设置静态变量初始值,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
  • 解析:将常量池内的符号引用替换为直接引用。
  • 初始化:到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的 Java 初始化程序代码。主要是静态变量赋值动作和静态语句块(static{})中的语句。

9、请你说一下什么是双亲委派模型?

如图所示:

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什么是双亲委派模型?

如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

为什么要使用双亲委派模型呢?(好处)

避免重复加载 + 避免核心类篡改

  • 采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系,通过这种层级关可以避免类的重复加载,当父加载器已经加载了该类时,就没有必要子加载器再加载一次。

  • 其次是考虑到安全因素,java 核心 api 中定义类型不会被随意替换,假设通过网络传递一个名为 java.lang.Integer 的类,通过双亲委托模式传递到启动类加载器,而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类,发现该类已被加载,并不会重新加载网络传递的过来的 java.lang.Integer,而直接返回已加载过的 Integer.class,这样便可以防止核心API库被随意篡改。


10、说一下虚拟机栈和堆的区别?

① 物理地址方面的区别:

  • 的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。
  • 虚拟机栈 使用的是数据结构中的栈,先进后出的原则,物理地址分配是连续的。所以性能快。

② 内存分配方面的区别:

  • 因为是不连续的,所以分配的内存是在运行期确认的,因此大小不固定。一般堆大小远远大于虚拟机栈。
  • 虚拟机栈 是连续的,所以分配的内存大小要在编译期就确认,大小是固定的。

③ 存放的内容方面的区别:

  • 存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储。
  • 虚拟机栈 存放的是局部变量,操作数栈,返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。

:静态变量放在方法区,而静态的对象还是放在堆。

④ 线程共享方面的区别:

  • 对于整个应用程序都是共享、可见的。
  • 虚拟机栈 只对于线程是可见的。所以也是线程私有。他的生命周期和线程相同。

参考文章:

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