1. JVM組成

1.1 JVM由那些部分組成，運行流程是什么？

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

JVM是什么
Java Virtual Machine Java程序的運行環境（java二進制字節碼的運行環境）

• 一次編寫，到處運行
• 自動內存管理，垃圾回收機制

從圖中可以看出 JVM 的主要組成部分

• ClassLoader（類加載器）
• Runtime Data Area（運行時數據區，內存分區）
• Execution Engine（執行引擎）
• Native Method Library（本地庫接口）

運行流程：

1. 類加載器（ClassLoader）把Java代碼轉換為字節碼
2. 運行時數據區（Runtime Data Area）把字節碼加載到內存中，而字節碼文件只是JVM的一套指令集規范，并不能直接交給底層系統去執行，而是有執行引擎運行
3. 執行引擎（Execution Engine）將字節碼翻譯為底層系統指令，再交由CPU執行去執行，此時需要調用其他語言的本地庫接口（Native Method Library）來實現整個程序的功能。

1.2 什么是程序計數器？

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

程序計數器（PC Register）：線程私有的，內部保存的字節碼的行號。用于記錄正在執行的字節碼指令的地址。
javap -verbose xx.class 打印堆棧大小，局部變量的數量和方法的參數。

1.3 你能給我詳細的介紹Java堆嗎?

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

線程共享的區域：Java堆 (Heap) 是Java虛擬機中內存管理的一個重要區域，主要用于存放對象實例和數組。當堆中沒有內存空間可分配給實例，也無法再擴展時，則拋出OutOfMemoryError異常。

• 新生代(Young Generation)：新生代分為Eden Space和Survivor Space。在Eden Space中，大多數新創建的對象首先存放在這里。Eden區相對較小，當Eden區滿時，會觸發一次 Minor GC(新生代垃圾回收)。在Survivor Spaces中，通常分為兩個相等大小的區域，稱為 S0(Survivor 0) 和 S1(Survivor1)。在每次Minor GC后，存活下來的對象會被移動到其中一個Sunvivor空間，以繼續它們的生命周期。
• 老年代(Old Generation/Tenured Generation)：存放過一次或多次Minor GC仍存活的對象會被移動到老年代。老年代中的對象生命周期較長，因此Major Gc(也稱為Ful GC，涉及老年代的垃圾回收)發生的頻率相對較低，但其執行時間通常比Minor Gc長。老年代的空間通常比新生代大，以存儲更多的長期存活對象。
• 元空間保存的類信息、靜態變量、常量、編譯后的代碼。

為了避免方法區出現OOM，所以在java8中將堆上的方法區【永久代】給移動到了本地內存上，重新開辟了一塊空間，叫做元空間。那么現在就可以避免掉OOM的出現了。

1.4 Java 虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java 虛擬機棧（后文簡稱棧）也是線程私有的，它的生命周期和線程相同，隨著線程的創建而創建，隨著線程的死亡而死亡。

1.4.1 Java Virtual machine Stacks (java 虛擬機棧)

• 每個線程運行時所需要的內存，稱為虛擬機棧，先進后出。
• 每個棧由多個棧幀（frame）組成，對應著每次方法調用時所占用的內存。每一次方法調用都會有一個對應的棧幀被壓入棧中，每一個方法調用結束后，都會有一個棧幀被彈出。
• 每個線程只能有一個活動棧幀，對應著當前正在執行的那個方法

1.4.2 棧和堆的區別

• 在JVM內存模型中，棧(Stack)主要用于管理線程的局部變量和方法調用的上下文，而堆(Heap)則是
  用于存儲所有類的實例和數組。堆會GC垃圾回收，而棧不會。
• 棧內存是線程私有的，而堆內存是線程共有的。
• 兩者異常錯誤不同，但如果棧內存或者堆內存不足都會拋出異常
  • 棧空間不足: java.lang.StackOverFlowError。
  • 堆空間不足: java.lang.OutOfMemoryError。

1.4.3 垃圾回收是否涉及棧內存？

垃圾回收主要指就是堆內存，當棧幀彈棧以后，內存就會釋放。

1.4.4 棧內存分配越大越好嗎？

未必，默認的棧內存通常為1024k。棧幀過大會導致線程數變少，例如，機器總內存為512m，目前能活動的線程數則為512個，如果把棧內存改為2048k，那么能活動的棧幀就會減半。

1.4.5 方法內的局部變量是否線程安全？

• 如果方法內局部變量沒有逃離方法的作用范圍，它是線程安全的
• 如果是局部變量引用了對象，并逃離方法的作用范圍，需要考慮線程安全

1.4.6 棧內存溢出情況

• 棧幀過多導致棧內存溢出，典型問題：遞歸調用
• 棧幀過大導致棧內存溢出（不容易出現）

1.5 能不能解釋一下方法區？

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆

1.5.1 概述

• 方法區(Method Area)是各個線程共享的內存區域
• 主要存儲類的信息、運行時常量池
• 虛擬機啟動的時候創建，關閉虛擬機時釋放
• 如果方法區域中的內存無法滿足分配請求，則會拋出OutOfMemoryError: Metaspace

1.5.2 運行時常量池

• 常量池：可以看作是一張表，虛擬機指令根據這張常量表找到要執行的類名、方法名、參數類型、字面量等信息
• 常量池是 *.class 文件中的，當該類被加載，它的常量池信息就會放入運行時常量池，并把里面的符號地址變為真實地址
  

1.5.3 方法區中的方法的執行過程?

當程序中通過對象或類直接調用某個方法時，主要包括以下幾個步驟:

• 解析方法調用：JVM會根據方法的符號引用找到實際的方法地址
• 棧幀創建：在調用一個方法前，JVM會在當前線程的Java虛擬機棧中為該方法分配一個新的棧幀，用于存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。
  執行方法：執行方法內的字節碼指令，涉及的操作可能包括局部變量的讀寫、操作數棧的操作、跳轉控制、對象創建、方法調用等。
  返回處理：方法執行完畢后，可能會返回一個結果給調用者，并清理當前棧幀，恢復調用者的執行環境。

1.6 你聽過直接內存嗎？

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆

• 并不屬于JVM中的內存結構，不由JVM進行管理。是虛擬機的系統內存
• 常見于 NIO 操作時，用于數據緩沖區，分配回收成本較高，但讀寫性能高，不受 JVM 內存回收管理

2. 類加載器

難易程度：☆☆☆☆
出現頻率：☆☆☆

2.1 什么是類加載器

JVM只會運行二進制文件，而類加載器（ClassLoader）的主要作用就是將字節碼文件加載到JVM中，從而讓Java程序能夠啟動起來。

2.2 類加載器種類

類加載器根據各自加載范圍的不同，劃分為四種類加載器：

• 啟動類加載器(BootStrap ClassLoader)：該類并不繼承ClassLoader類，其是由C++編寫實現。負責加載Java的核心庫（如JAVA_HOME/jre/lib目錄下的類庫）。
• 擴展類加載器(ExtClassLoader)：該類是ClassLoader的子類，主要加載JAVA_HOME/jre/lib/ext目錄中的類庫。
• 應用類加載器(AppClassLoader)：該類是ClassLoader的子類，主要用于加載classPath下的類，也就是加載開發者自己編寫的Java類。
• 自定義類加載器：開發者自定義類繼承ClassLoader，實現自定義類加載規則。

2.3 什么是雙親委派模型？

難易程度：☆☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

如果一個類加載器在接到加載類的請求時，它首先不會自己嘗試去加載這個類，而是把這個請求任務委托給父類加載器去完成，依次遞歸，如果父類加載器可以完成類加載任務，就返回成功；只有父類加載器無法完成此加載任務時，才由下一級去加載。

2.4 JVM為什么采用雙親委派機制（作用）

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆

1. 保證類的唯一性：通過雙親委派機制可以避免某一個類被重復加載，當父類已經加載后則無需重復加載，保證唯一性。
2. 保證安全性：為了安全，保證類庫API不會被修改。例如，惡意代碼無法自定義一個Java.lang.System類并加載到IM中，因為這個請求會被委托給啟動類加載器，而啟動類加載器只會加載標準的Java庫中的類。

2.5 說一下類裝載的執行過程

1. 加載：查找和導入class文件
   • 通過類的全名，獲取類的二進制數據流。
   • 解析類的二進制數據流為方法區內的數據結構（Java類模型）
   • 創建java.lang.Class類的實例，表示該類型。作為方法區這個類的各種數據的訪問入口
2. 驗證：保證加載類的準確性
   • 格式檢查：文件格式是否錯誤、語法是否錯誤、字節碼是否合規
     • 文件格式驗證
     • 元數據驗證
     • 字節碼驗證
   • 符號引用驗證：Class文件在其常量池中通過字符串記錄自己將要使用的其它類或者方法，檢查它們是否存在
3. 準備：為類變量分配內存并設置類變量初始值
   • static變量，分配空間在準備階段完成（設置默認值），賦值在初始化階段完成
   • static變量是final的基本類型，以及字符串常量，值已確定，賦值在準備階段完成
   • static變量是final的引用類型，那么賦值也會在初始化階段完成
4. 解析：把類中的符號引用轉換為直接引用
   • 比如：方法中調用了其他方法，方法名可以理解為符號引用，而直接引用就是使用指針直接指向方法。
5. 初始化：對類的靜態變量，靜態代碼塊執行初始化操作
   • 如果初始化一個類的時候，其父類尚未初始化，則優先初始化其父類。
   • 如果同時包含多個靜態變量和靜態代碼塊，則按照自上而下的順序依次執行。
6. 使用：JVM 從入口方法開始執行用戶的程序代碼
   • 調用靜態類成員信息（比如：靜態字段、靜態方法）
   • 使用new關鍵字為其創建對象實例
7. 卸載：當用戶程序代碼執行完畢后，JVM 便開始銷毀創建的 Class 對象
   • 最后負責運行的 JVM 也退出內存

3. 垃圾回收

垃圾回收(Garbage Collection,Gc)是自動管理內存的一種機制，它負責自動釋放不再被程序引用的對象所占用的內存，這種機制減少了內存泄漏和內存管理錯誤的可能性。

3.1 對象什么時候可以被垃圾器回收

如果一個或多個對象沒有任何的引用指向它了，那么這個對象現在就是垃圾，如果定位了垃圾，則有可能會被垃圾回收器回收。

如果要定位什么是垃圾，有兩種方式來確定，第一個是引用計數法，第二個是可達性分析算法。

• 引用計數
  • 原理: 為每個對象分配一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器加1;當引用失效時，計數器減1。當計數器為0時，表示對象不再被任何變量引用，可以被回收。
  • 缺點: 不能解決循環引用的問題，即兩個對象相互引用，但不再被其他任何對象引用，這時引用計數器不會為0，導致對象無法被回收。
• 可達性分析算法
  • 原理: 從一組稱為GC Roots(垃圾收集根)的對象出發，向下追溯它們引用的對象，以及這些對象用的其他對象，以此類推。如果一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連(即從GC Roots到這個對不可達)，那么這個對象就被認為是不可達的，可以被回收。
  • GC Roots對象包括: 虛擬機棧(棧幀的本地變量表)中引用的對象、方法區中類靜態屬性引用的對象、本地方法棧中JNI (Java Native Interface)引用的對象、活躍線程的引用等。

3.2 VM 垃圾回收算法有哪些？

難易程度：☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

3.2.1 標記清除算法

標記清除算法，是將垃圾回收分為2個階段，分別是標記和清除。

1. 根據可達性分析算法得出的垃圾進行標記
2. 對這些標記為可回收的內容進行垃圾回收

標記清除算法也是有缺點的：通過標記清除算法清理出來的內存，碎片化較為嚴重，因為被回收的對象可能存在于內存的各個角落，所以清理出來的內存是不連貫的。

3.2.2 標記整理算法

標記壓縮算法是在標記清除算法的基礎之上，做了優化改進的算法。和標記清除算法一樣，也是從根節點開始，對對象的引用進行標記，在清理階段，并不是簡單的直接清理可回收對象，而是將存活對象都向內存另一端移動，然后清理邊界以外的垃圾，從而解決了碎片化的問題。

優缺點同標記清除算法，解決了標記清除算法的碎片化的問題，同時，標記壓縮算法多了一步，對象移動內存位置的步驟，其效率也有有一定的影響。

3.2.3 復制算法

將原有的內存空間一分為二，每次只用其中的一塊，在垃圾回收時，將正在使用的對象復制到另一個內存空間中，然后將該內存空間清空，交換兩個內存的角色，完成垃圾的回收。
如果內存中的垃圾對象較多，需要復制的對象就較少，這種情況下適合使用該方式并且效率比較高，反之，則不適合。 缺點：內存利用率不足。

3.3 分代回收算法

堆被分為了兩份：新生代和老年代【1：2】

分代回收是將內存劃分成了新生代和老年代。分配的依據是對象的生存周期，或者說經歷過的 GC 次數。對象創建時，一般在新生代申請內存，當經歷一次 GC之后如果對還存活，那么對象的年齡 +1。當年齡超過一定值(默認是 15)后，如果對象還存活，那么該對象會進入老年代。

MinorGC、 Mixed GC 、 FullGC的區別是什么

• MinorGC【young GC】
  • 發生在新生代的垃圾回收
  • 當 Eden 區空間不足時，JVM 觸發依次Minor GC，將Eden區和一個Survivor區中的存活對象移動到另一個Survivor區或老年區。
  • 頻率高，暫停時間短（STW）
• Mixed GC
  • 新生代 + 老年代部分區域的垃圾回收，G1 收集器特有
• FullGC
  • 新生代 + 老年代完整垃圾回收
  • 暫停時間長（STW），應盡力避免

STW（Stop-The-World）：暫停所有應用程序線程，等待垃圾回收的完成

3.4 說一下 JVM 有哪些垃圾回收器？

難易程度：☆☆☆☆
出現頻率：☆☆☆☆

在jvm中，實現了多種垃圾收集器，包括：

• 串行垃圾收集器
• 并行垃圾收集器
• CMS（并發）垃圾收集器
• G1垃圾收集器

3.4.1 串行垃圾收集器

Serial 和 Serial Old 串行垃圾收集器，是指使用單線程進行垃圾回收，堆內存較小，適合個人電腦

• Serial 作用于新生代，采用復制算法
• Serial Old 作用于老年代，采用標記-整理算法
• 垃圾回收時，只有一個線程在工作，并且java應用中的所有線程都要暫停（STW），等待垃圾回收的完成。
• 優點是簡單高效

3.4.2 并行垃圾收集器

Parallel New 和 Parallel Old 是一個并行垃圾回收器，JDK8默認使用此垃圾回收器

• Parallel New作用于新生代，采用復制算法
• Parallel Old作用于老年代，采用標記-整理算法
• 垃圾回收時，多個線程在工作，并且java應用中的所有線程都要暫停（STW），等待垃圾回收的完成。

3.4.3 CMS（并發）垃圾收集器

CMS全稱 Concurrent Mark Sweep，是一款并發的、使用標記-清除算法的垃圾回收器，該回收器是針對老年代垃圾回收的，是一款以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器，停頓時間短，用戶體驗就好。其最大特點是在進行垃圾回收時，應用仍然能正常運行。

3.4.4 G1垃圾回收器

• 應用于新生代和老年代，在JDK9之后默認使用G1
• 劃分成多個區域（弱化了分代的概念），每個區域都可以充當 eden，survivor，old， humongous，其中 humongous 專為大對象準備
• 采用復制算法
• 響應時間與吞吐量兼顧
• 分成三個階段：新生代回收、并發標記、混合收集
• 如果并發失敗（即回收速度趕不上創建新對象速度），會觸發 Full GC

3.5 強引用、軟引用、弱引用、虛引用的區別？

難易程度：☆☆☆☆
出現頻率：☆☆☆

• 強引用: 只要所有 GC Roots 能找到，就不會被回收
• 軟引用: 需要配合SoftReference使用，當垃圾多次回收，內存依然不夠的時候會回收軟引用對象
• 弱引用: 需要配合WeakReference使用，只要進行了垃圾回收，就會把弱引用對象回收
• 虛引用: 必須配合引用隊列使用，被引用對象回收時，會將虛引用入隊，由 Reference Handler 線程調用虛引用相關方法釋放直接內存

4. JVM 實踐

4.1 JVM 調優的參數都有哪些？

通常在linux系統下直接加參數啟動springboot項目
nohup java -Xms512m -Xmx1024m -jar xxxx.jar --spring.profiles.active=prod &
nohup : 用于在系統后臺不掛斷地運行命令，退出終端不會影響程序的運行
參數 & ：讓命令在后臺執行，終端退出后命令仍舊執行。

1）設置堆的初始大小和最大大小，為了防止垃圾收集器在初始大小、最大大小之間收縮堆而產生額外的時間，通常把最大、初始大小設置為相同的值。
-Xms：設置堆的初始化大小
-Xmx：設置堆的最大大小

2）設置虛擬機棧的位置
3）年輕代中 Eden 區和兩個 Survivor 區的大小比例
4）設置垃圾回收器

4.2 java內存泄露的排查思路？

第一，可以通過jmap指定打印他的內存快照 dump文件，不過有的情況打印不了，我們會設置vm參數讓程序自動生成dump文件
第二，可以通過工具去分析 dump文件，jdk自帶的VisualVM就可以分析
第三，通過查看堆信息的情況，可以大概定位內存溢出是哪行代碼出了問題
第四，找到對應的代碼，通過閱讀上下文的情況，進行修復即可

4.3 服務器CPU持續飆高，你的排查方案與思路？

第一可以使用使用 top 命令查看占用cpu的情況
第二通過top命令查看后，可以查看是哪一個進程占用cpu較高，記錄這個 進程id
第三可以通過ps 查看當前進程中的 線程信息，看看哪個線程的cpu占用較高
第四可以jstack命令打印進行的id，找到這個線程，就可以進一步定位問題代碼的行號