Java面试题汇总——JVM常见面试题总结

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内存结构与对象创建

请详细介绍JVM内存结构的整体布局，各个区域的作用和特点？

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域

堆：存放对象实例与数组，是 GC 管理的核心区域。它线程共享，是JVM 中最大的一块内存，分为新生代和老年代

堆中包含字符串常量池，是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗，针对字符串专门开辟的一个区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。因为同一个字面量的字符串，在常量池中只会保留一个引用

元空间：也叫方法区，其中包含运行时常量池，其中垃圾回收行为较少

运行时常量池存储 Class 文件编译期生成的各种字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）

虚拟机栈：线程私有，描述 Java 方法执行的内存模型。每个方法执行时创建一个栈帧，除了一些 Native 方法，其他所有的 Java 方法的调用都是通过栈来实现的。

关于栈帧，栈由一个个栈帧组成，栈帧是方法调用的最小单位，每调用一个 Java 方法，就会创建一个栈帧并压入栈，每个栈帧中都拥有，局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址

本地方法栈：为 Native 方法 服务，它线程私有，功能与虚拟机栈几乎一样

程序计数器：记录当前线程执行的字节码行号，用于线程切换后恢复执行位置。它线程私有，而且不会出现 OOM

直接内存：直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。它是一种特殊的内存缓冲区，并不在 Java 堆或方法区中分配的，而是通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

堆放对象，栈管运行，方法区存类信息，程序计数器保证线程切换不乱。

堆内存的作用和组成

堆是 JVM 所管理的内存中最大的一块，Java 堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java 中几乎所有的对象实例和数组都在堆中分配，但是，随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么 “必须” 了

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆。从垃圾回收的角度来讲，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有：Eden、Survivor、Old 等空间。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

JDK 8 版本之后 PermGen(永久代) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是本地内存。

Java堆和栈的区别？存储内容和生命周期的差异？结合JVM内存结构详细说明

Java 堆和栈是 JVM 内存结构中的两个核心区域，它们在存储内容和生命周期上有本质区别。

栈内存：存储方法调用时的局部变量、方法参数和返回地址。每个线程都有独立的栈空间，当方法被调用时会在栈中创建栈帧，方法执行完毕后栈帧立即销毁。比如你在方法中声明的int count = 10，这个 count 变量就存储在栈中，方法结束后立即回收，生命周期非常短暂。
堆内存：存储所有对象实例和实例变量，是所有线程共享的区域。当你使用new User()创建对象时，User 对象就分配在堆中。堆中的对象生命周期由垃圾回收器管理，只有当对象不再被任何引用指向时才会被GC回收，生命周期相对较长。

从访问速度来看，栈采用后进先出的数据结构，访问速度快；堆需要通过引用访问，速度相对较慢。栈空间相对较小，如果递归调用过深会导致StackOverflowError；堆空间较大，但如果创建对象过多会引发OutOfMemoryError。

简单说一下 Java 对象的创建过程

JVM（HotSpot 虚拟机）中对象的创建过程主要分为以下五步：

类加载检查：虚拟机执行 new 指令时，先检查常量池中对应类的符号引用是否已加载、解析和初始化，未完成则先执行类加载过程。
分配内存：类加载通过后，根据类加载确定的对象大小从 Java 堆划分内存
初始化零值：将分配的内存空间，除了对象头外，初始化为零值，确保 Java 代码中未赋初始值的实例字段可直接使用对应类型的零值。
设置对象头：在对象头中记录类元数据信息、哈希码、GC 分代年龄、锁状态等必要信息，具体设置依虚拟机运行状态（如是否启用偏向锁）而定。
执行 init 方法：虚拟机视角下对象已创建，但需执行<init>方法，将对象初始化到程序员期望的状态，最终生成可用对象。

垃圾回收

JVM垃圾回收算法有哪些？各自的优缺点和适用场景？

JVM垃圾回收算法主要包括标记-清除、复制算法、标记-整理和分代收集四种核心算法。

标记-清除算法是最基础的回收算法，先标记需要回收的对象，再统一清除。它的优点是实现简单，缺点是会产生大量内存碎片，影响大对象分配，而且通常需要暂停应用程序清理。
复制算法将内存分为两块，每次只使用一块，GC 时候将存活对象复制到另一块区域。这种算法避免了内存碎片，回收效率高，但内存利用率只有50%，所以适合新生代这种存活对象较少的场景。
标记-整理算法在标记阶段后，将存活对象向内存一端移动，然后清理边界外的内存。它既避免了内存碎片，又不浪费内存空间，但移动对象的成本较高，更适合老年代这种存活率高的区域。
分代收集算法是目前主流的垃圾回收策略，根据对象存活周期的不同将堆内存划分为新生代和老年代，然后使用不同的算法，新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。这种组合策略充分发挥了各算法的优势，在Hotspot虚拟机中被广泛应用，能够在不同场景下提供最优的回收性能。

如何判断对象是否死亡

堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡，即不能再被任何途径使用的对象

一般就是引用计数法和可达性分析算法两种情况

引用计数法：

给对象中添加一个引用计数器：
- 每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
- 当引用失效，计数器就减 1；
- 任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。
这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

所谓对象之间的相互引用问题，如下面图所示：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

可达性分析算法：

从一系列称为 GC Roots 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

下图中的 Object 6 ~ Object 10 之间虽有引用关系，但它们到 GC Roots 不可达，因此为需要被回收的对象。
哪些对象可以作为 GC Roots 呢？
- 虚拟机栈(栈帧中的局部变量表)中引用的对象
- 本地方法栈(Native 方法)中引用的对象
- 方法区中类静态属性引用的对象
- 方法区中常量引用的对象
- 所有被同步锁持有的对象
- JNI（Java Native Interface）引用的对象

对象可以被回收，就代表一定会被回收吗？

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

垃圾回收算法有哪些？

标记-清除算法

标记-清除（Mark-and-Sweep）算法分为标记（Mark）和清除（Sweep）阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。

它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：

效率问题：标记和清除两个过程效率都不高。
空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

复制算法

为了解决标记-清除算法的效率和内存碎片问题，复制（Copying）收集算法出现了。

它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

虽然改进了标记-清除算法，但依然存在下面这些问题：

可用内存变小：可用内存缩小为原来的一半。
不适合老年代：如果存活对象数量比较大，复制性能会变得很差

标记-整理算法

标记-整理（Mark-and-Compact）算法是根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程仍然与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

由于多了整理这一步，因此效率也不高，因此它适合老年代这种垃圾回收频率不是很高的场景

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 Java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择”标记-复制“算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

至于 HotSpot 为什么要分为新生代和老年代？也可以根据上述内容进行回答

类的文件结构和类的加载过程

类加载器

Java 的类加载过程是怎样的？

类加载就是把 .class 字节码文件的二进制数据读进内存，经过校验、转换，最终变成 JVM 能用的 Class 对象。

二进制流不一定非得来自 .class 文件，也可以是字节码工具动态生成的、或者从网络传过来的，只要格式对，JVM 都认。

整个类加载流程分为三大阶段：加载、连接、初始化。连接又能拆成验证、准备、解析三步，所以细分下来是 5 个阶段：

加载：把二进制流读入内存，在方法区生成类的运行时数据结构，同时在堆中创建一个 Class 对象作为访问入口并分配内存
连接：
- 校验：校验二进制流是否符合 Class 文件规范，防止恶意代码搞崩 JVM。
- 准备：给类变量（static）分配内存并且设置零值初始化
- 解析：把常量池里的符号引用替换成直接引用。符号引用就是一个字符串形式的标识，比如 java/lang/Object；直接引用是真正的内存地址或偏移量，能直接定位到目标。
初始化：执行类构造器 <clinit>() 方法，这时候才真正执行 static int a = 123 这种赋值操作，静态代码块也是在这个阶段跑的。

JVM 规范规定了 6 种情况必须立即对类进行初始化

遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这 4 条字节码指令时。

使用 java.lang.reflect 包对类进行反射调用时。

初始化子类时发现父类还没初始化，先把父类初始化了。

JVM 启动时指定的主类

接口中定义了 default 方法，实现类初始化前要先初始化这个接口。

什么是JVM类加载器？Java提供了哪些默认的类加载器？各自的层次结构

JVM 类加载器是负责将.class字节码文件加载到内存并转换为 Class 对象的组件，它是连接磁盘上的.class文件和运行时对象的桥梁。

没有类加载器，整个Java程序就无法运行。Java采用双亲委派模型实现类加载的层次结构，确保了类加载的唯一性和安全性。

从顶层到底层，默认类加载器包括:

启动类加载器：负责加载$JAVA_HOME/lib目录下的核心类库如rt.jar中的java.lang.Object、java.util.HashMap等基础类
扩展类加载器：加载$JAVA_HOME/lib/ext目录下的扩展类库
应用程序类加载器：加载 classpath 路径下的应用程序类和第三方依赖

双亲委派机制确保类加载请求首先向上委托给父加载器，只有父加载器无法加载时子加载器才会尝试加载。比如当你的系统尝试加载java.lang.String时，请求会一直委派到启动类加载器完成加载，而不会使用你自定义的同名类，这种设计有效避免了核心类被恶意替换。

JVM 监控和调优

常用的JVM监控和调优命令？jstat、jmap、jstack、jhat的使用？

在JVM监控调优中，这几个命令各有专门用途。

jstat：实时性能监控，例如，通过jstat -gc pid能持续观察垃圾回收频率和耗时，jstat -gcutil pid 1000每秒输出 GC统计信息，帮你快速定位 GC 性能问题。
jmap：专门处理内存分析，jmap -histo pid显示对象实例统计，也能使用 jmap dump 生成堆转储文件，这在排查内存泄漏时特别有效
jstack：负责线程分析，jstack pid输出所有线程堆栈信息，当应用出现死锁或CPU占用异常时，通过线程状态能快速定位问题线程。
jhat：堆分析工具，常用就是用它分析堆转储文件，jhat heap.hprof启动Web服务器分析 dump 文件。